Quantum Imaging of Topologically Unpaired Spin-Polarized Dirac Fermions
Kenjiro K. Gomes, Wonhee Ko, Warren Mar, Yulin Chen, Zhi-Xun Shen, Hari C. Manoharan
备注：
Updated from original (copy of earlier journal submission) to include references and context to latest published and posted experiments involving STM and ARPES
The motion of a relativistic particle is linked to its spin by the Dirac equation. Remarkably, electrons in two-dimensional materials can mimic such Dirac particles but must always appear in pairs of opposite spin chirality. Using topological ideas of chiral boundary electrons wrapping a three-dimensional crystal with tuned spin-orbit coupling, we show that elusive unpaired Dirac fermions exist on the surface of a topological insulator parent matrix, pure antimony. Using scanning tunneling microscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy we image coherent quantum interference between these particles, map their helical spin texture, and ultimately observe a transition to a single Dirac fermion distinguished by backscattering suppression via Berry phase interference. The robust dynamics of these unique spin-polarized carriers envisage future applications in spintronics and topological quantum computation.
Time-reversal-protected single-Dirac-cone topological-insulator states in Bi2Te3 and Sb2Te3: Topologically Spin-polarized Dirac fermions with pi Berry's Phase
我们证明了强自旋-轨道耦合材料Bi_2 Te_3和Sb_2 Te_3（第一非Bi拓扑绝缘体）及其衍生物属于Z_2（Time-Reflections-Protected，Elastic Backscattering suppressed）拓扑绝缘体类。使用第一性原理理论计算和光电子能谱相结合，我们直接表明，Bi 2 Te 3是一个大的自旋轨道诱导的间接体带隙（约150 meV）的半导体，其表面的特点是由一个单一的拓扑自旋狄拉克锥。自掺杂Sb_2Te_3的电子结构具有类似的Z_2拓扑性质。我们证明了表面自旋狄拉克费米子的动力学可以通过系统的Mn掺杂来控制，使这些材料类潜在地适合于探索新的拓扑物理。我们强调（理论上和实验上）狄拉克节点是很好的体隙内，不与体价带退化。
Electrical Control of Spin-polarized Topological Currents in Monolayer WTe$_2$
我们证明了在低对称性量子自旋霍尔绝缘体中拓扑保护边缘态的自旋取向的相干电操纵的可能性。通过使用从头算模拟，基于量子力学的建模和大规模计算的自旋霍尔电导率的组合，它表明，小电场可以有效地改变单层1 T '-WTe 2的边缘电流的自旋纹理高达90度的自旋旋转，而不会危及其拓扑特征。这些发现表明了一种新型的栅极可控自旋器件，拓扑保护免受混乱和相关的拓扑自旋电子学的发展。
Emergence of Topologically Non-trivial Spin-polarized States in a Segmented Linear Chain
具有新颖或有用性质的新材料的合成是凝聚态物理和材料科学领域中最重要的驱动力之一。当这类发现指向有希望的未来基础研究和应用时，它们尤其重要。由低维构建块组成的范德华键合材料已被证明在以原子薄形式隔离时表现出涌现特性1 -8。在这里，我们报告的过渡金属硫属化物在一个迄今为止未知的分段线性链形式的发现，其中基本的建筑块，每个组成的两个铪原子和九个碲原子（Hf 2 Te 9）是范德华键结端到端。基于密度泛函理论的第一性原理计算揭示了分段链的电子结构中与晶体对称性相关的显著特征，包括巨自旋分裂和所选能带态的非平凡拓扑相。原子分辨率扫描透射电子显微镜揭示了碳纳米管中空核内孤立的单节段Hf 2 Te 9链，其结构与理论预测一致。范德华键合的分段线性链过渡金属硫属化物材料可以在低维、门可调、磁性和拓扑晶体系统中开辟新的机会。
Scattering properties of the three-dimensional topological insulator Sb2Te3: Coexistence of topologically trivial and non-trivial surface states with opposite spin-momentum helicity
二元硫族化合物Bi 2 Te 3和Bi 2 Se 3是研究最广泛的拓扑绝缘体。虽然最近在磁性掺杂的Sb 2 Te 3中观察到量子反常霍尔效应，但对该化合物的研究程度要小得多。在这里，通过使用能量分辨准粒子干涉映射，我们调查的原始Sb2Te3表面的散射事件。我们发现，除了狄拉克费米子，另一个强自旋极化的表面共振出现在更高的能量在未占领的电子状态。虽然这两个表面状态是不同的起源，即拓扑保护和平凡的，分别，都表现出强烈的方向性散射特性和没有背散射。与从头计算结果的比较表明，这是一个直接的后果，他们的自旋动量锁定自旋织构被发现表现出相反的转动意义的平凡态和狄拉克态。
Magnetic Brightening and Nanoscale Imaging of Spin-Polarized Helical Edge Modes
Ames National Laboratory（艾姆斯国家实验室）；Department of Physics and Astronomy, Iowa State University（爱荷华州立大学物理与天文系）；Condensed Matter Physics and Materials Sciences Department, Brookhaven National Laboratory（布鲁海文国家实验室凝聚态物理与材料科学系）；Department of Physics and Astronomy, Stony Brook University（石溪大学物理与天文系）
Direct observation of spin-polarized surface states in the parent compound of a topological insulator using high-resolution spin-resolved-ARPES spectroscopy in a Mott-polarimetry mode
Tailoring Ultrathin Magnetic Multilayers at Terraced Topologically Insulating Interfaces for Perpendicularly Magnetized Domains
University of Leeds（利兹大学）；ISIS Neutron and Muon Source, STFC Rutherford Appleton Laboratory（STFC卢瑟福阿普尔顿实验室中子与μ子源）；Diamond Light Source（钻石光源）；Imperial College London（伦敦帝国理工学院）
Theory of quasiparticle interference on the surface of a strong topological insulator
强拓扑绝缘体（如Bi 2 Te 3或Bi 1-xSnx）表面的电子形成拓扑保护的螺旋液体，其激发光谱包含奇数个无质量狄拉克费米子。本文对螺旋液体中磁性杂质和非磁性杂质的准粒子散射产生的干涉图样的普遍特征进行了理论分析和分类。我们的研究结果证实了在最近的实验中观察到的非磁性杂质的背散射的情况下，并预测新的干扰功能，独特的螺旋液体的特性，当散射体是磁性的。
Probing two topological surface bands of Sb2Te3 by spin-polarized photoemission spectroscopy
利用高分辨率自旋和角度分辨光电子能谱，我们映射的电子结构和自旋纹理的表面态的拓扑绝缘体Sb 2 Te 3。结合密度泛函计算（DFT），我们直接表明，Sb 2 Te 3表现出部分占据，单一的自旋狄拉克锥周围的费米能，这是拓扑保护。密度泛函理论得到了占据狄拉克锥态的自旋极化率为80- 90%，这与仔细扣除背景后的实验数据相当吻合。此外，我们观察到一个强自旋轨道分裂的表面带在较低的能量。该态位于γ点费米能级以下0.8eV处，向上分散，在费米能级以下约0.4eV处消失，变成两个不同的体带。沿着γ-K方向，能带位于自旋轨道间隙内。根据Pendry和Gurman在1975年给出的一个论证，如果这个能隙远离布里渊区的高对称点，那么它必须包含一个表面态。因此，新的自旋分裂态也受到对称性的保护。
Direct observation of spin-polarized surface states in the parent compound of topological insulator Bi-Sb using spin-resolved-ARPES in a 3D Mott-polarimetry spin mode
Electron dynamics in topological insulator based semiconductor-metal interfaces (topological p-n interface based on Bi2Se3 class)
单狄拉克锥拓扑绝缘体（TI）是第一个通过实验发现的三维拓扑有序电子系统，其特征是在拓扑绝缘体和缺乏拓扑绝缘体有序性的正常物质之间的任何界面上都出现稳定的、无质量的自旋螺旋导电表面态。这种拓扑定义的表面环境在理论上已被确定为一个有前途的平台，用于观察各种新的物理现象，并具有理想的性能，先进的电子学，如自旋极化导电性和抑制散射。实现这些应用的关键步骤是理解拓扑有序的电子如何响应构成器件的界面和表面结构。在这里，我们探索这个问题，通过使用表面沉积的阴极（Cu/In/Fe）和阳极材料（NO $_2$）和控制体掺杂在Bi $_2$ Se $_3$从P型到N型电荷传输制度，以产生一系列的拓扑绝缘体接口的情况下，是设备开发的基础。传统的半导体结物理和三维拓扑电子秩序的相互作用被观察到产生新的结行为，超越了传统的半导体器件的掺杂绝缘体范例，并大大改变了已知的自旋轨道界面现象的Rashba分裂。我们的测量第一次揭示了新的类二极管的配置，可以创建一个间隙的界面电子密度附近的拓扑狄拉克点，并系统地修改拓扑表面状态狄拉克速度，允许深远的控制自旋纹理螺旋狄拉克电子内的接口和创建优势TI超导体作为一个马约拉纳费米子平台自旋轨道半导体。
