在拓扑绝缘体中的几种应用和奇异效应依赖于拓扑绝缘体和正常绝缘体之间界面处螺旋狄拉克态的存在。在本工作中，我们利用低能角分辨光电子能谱学对Si（111）衬底上生长的Bi $_2$ Se $_3$薄膜和Bi $_2$ Te $_3$ /Bi $_2$ Se $_3$异质结构的界面态进行了研究和表征。结果表明，狄拉克费米子确实存在于拓扑-正常-绝缘体边界，而不存在于拓扑-拓扑-绝缘体界面。此外，它表明，能带弯曲内存在的拓扑绝缘体膜导致的界面和表面态的能量的实质性分离。这些结果为进一步研究和实现拓扑绝缘体薄膜异质结构中的界面相关现象奠定了基础。
英文摘要：
Several proposed applications and exotic effects in topological insulators rely on the presence of helical Dirac states at the interface between a topological and a normal insulator. In the present work, we have used low-energy angle-resolved photoelectron spectroscopy to uncover and characterize the interface states of Bi$_2$Se$_3$ thin films and Bi$_2$Te$_3$/Bi$_2$Se$_3$ heterostuctures grown on Si(111). The results establish that Dirac fermions are indeed present at the topological-normal-insulator boundary and absent at the topological-topological-insulator interface. Moreover, it is demonstrated that band bending present within the topological-insulator films leads to a substantial separation of the interface and surface states in energy. These results pave the way for further studies and the realization of interface-related phenomena in topological-insulator thin-film heterostructures.
Enhanced coherence and decoupled surface states in topological insulators through structural disorder
为了利用拓扑绝缘体作为量子材料用于信息处理的真正潜力，必须最大化拓扑表面态传导，同时同时提高它们的量子相干性。然而，这些目标是相互矛盾的。拓扑绝缘体中的表面主导输运主要是通过补偿掺杂引入巨大的电子无序并急剧恶化电子相干性的体载流子来实现的。在这项工作中，我们使用结构无序代替电子无序来操纵拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$薄膜的电学性质。我们实现了解耦的表面态传输在我们的样品中，并观察到显着抑制的耦合表面态制度的载流子退相速率。随着薄膜厚度的减小，失相速率从线性温度依赖性演变为超线性温度依赖性。虽然前者与奈奎斯特电子-电子相互作用一致，但后者导致在低温下显著增强的相干性，并且指示由于两个表面状态之间的摩擦阻力而导致的能量交换。我们的工作开辟了利用拓扑表面状态的方式，而不会受到补偿掺杂的有害影响。
Ultrafast Energy- and Momentum-resolved Surface Dirac Photocurrents in the Topological Insulator Sb$_2$Te$_3$
利用时间分辨和角度分辨双光子光电子能谱结合偏振可变中红外脉冲激光，研究了拓扑绝缘体Sb $_2$ Te $_3$中表面Dirac光电流的能量-动量映射.它表明，从占据到未被占据的部分的表面Dirac锥的直接光学跃迁允许的线性和圆形的光电流效应，从而使我们能够相干控制的表面电流的激光偏振。此外，表面电流映射直接可视化狄拉克锥在时域中的超快电流动力学。我们分别揭示了非弹性散射和动量散射的超快带内弛豫动力学。我们的观测为拓扑绝缘体中表面狄拉克电子的相干光学控制铺平了道路。
Dirac-Surface-State Modulated Spin Dynamics in a Ferrimagnetic Insulator at Room Temperature
这项工作表明，显着修改的自旋动力学的磁性绝缘体（MI）的自旋动量锁定狄拉克表面状态的相邻的拓扑绝缘体（TI），可以利用自旋电子学应用。当Bi浓度x在5 nm厚的（BixSb 1-x）2 Te 3 TI膜中被系统地调谐时，当化学势接近狄拉克点时，表面相对于体态的权重在x = 0.32处达到峰值。在该浓度下，MI/TI异质结构中10 nm厚的Y3 Fe 5 O 12 MI膜旋进磁化强度的吉尔伯特阻尼常数提高了一个数量级，是所有浓度中最大的。此外，MI获得额外的强磁各向异性，有利于面内取向与类似的Bi浓度依赖性。狄拉克表面态的这些非凡效应使TI在调制相邻磁性层的自旋动力学方面区别于其他材料，例如重金属。
Direct Optical Coupling to an Unoccupied Dirac Surface State in the Topological Insulator Bi$_2$Se$_3$
利用单光子和双光子角分辨光电子能谱和平板能带结构计算，研究了拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$的占据和未占据电子结构.我们揭示了第二个，未被占用的狄拉克表面态具有类似的电子结构和物理起源的著名的拓扑表面状态。这种状态是积极位于1.5 eV以上的导带，这使得它可以直接激发的输出钛：蓝宝石激光器。这一发现证明了直接超快光耦合到拓扑保护的自旋织构表面态的可行性。
Large Gap Topological Insulator Bi2Te3 with a Single Dirac Cone on the Surface
利用角分辨光电子能谱（ARPES）和输运测量研究了Bi $_2$ Te $_3$的表面态.通过扫描整个布里渊区（BZ），我们证明了表面态由一个以$Γ$点为中心的非简并狄拉克锥组成。此外，通过适当的空穴（Sn）掺杂来抵消来自空位和反位缺陷的本征n型掺杂，费米能级可以被调整为仅与表面态相交，指示体态的完整能隙，这与在传输性质中接近该掺杂的载流子符号变化一致。我们的实验结果第一次建立了Bi $_2$ Te $_3$是一个三维拓扑绝缘体的表面上的一个狄拉克锥，由最近的理论预测。
拓扑绝缘体与普通绝缘体的区别在于它们的体绝缘间隙和奇数个表面态，这些表面态连接反向导带和价带，并在布里渊区的时间反演不变点处显示狄拉克锥。Bi基三维强拓扑绝缘体材料Bi $_2$ Se $_3$和Bi $_2$ Te $_2$由于其相对大的体隙而被称为高温拓扑绝缘体，并且在$Γ$点处具有一个简单的狄拉克锥。尽管它们具有清晰的表面态狄拉克锥特征，但被称为Kramers点的狄拉克点和拓扑输运区位于体价带最大值以下。由于狄拉克点的非孤立性，不能获得拓扑输运区，表面态和体态之间可能存在散射通道。在这篇文章中，我们表明，一个理想的和孤立的狄拉克锥是实现在一个平板的几何形状由Bi $_2$ Se $_3$与适当的取代表面Se原子。除了狄拉克锥工程的表面原子取代，我们还研究了铋$_2$硒$_3$薄膜的厚度和磁性的替代，这可以链接到自旋电子器件的应用。
Visualizing the interplay of Dirac mass gap and magnetism at nanoscale in intrinsic magnetic topological insulators
在内禀磁性拓扑绝缘体中，狄拉克表面态能隙是量子反常霍尔态和轴子绝缘态的先决条件。然而，要在非纳米比亚实验性的基础上确定这些差距，已证明是一项挑战。在这里，我们使用分子束外延生长本征MnBi_2 Te_4薄膜。使用扫描隧道显微镜/光谱，我们直接可视化狄拉克质量间隙和它的消失低于和高于磁序温度。我们进一步揭示了狄拉克质量间隙和局部磁缺陷的相互作用。我们发现，在高缺陷区，狄拉克质量间隙崩溃。从头算和耦合狄拉克锥模型计算提供了深入了解缺陷密度和空间间隙变化之间的相关性的微观起源。该工作提供了明确的识别的狄拉克质量间隙在MnBi 2 Te 4，并通过揭示其间隙变化的微观起源，建立了一个材料设计原则，实现奇异态的内禀磁性拓扑绝缘体。
Experimental Observation of Bound States of 2D Dirac Electrons at Surface Steps of the Topological Insulator Bi$_2$Se$_3$
三维拓扑绝缘体的拓扑保护表面态为研究二维无质量狄拉克电子提供了一个模型框架。通常把拓扑绝缘体表面的台阶当作狄拉克电子的散射体，研究其效应主要集中在入射电子和散射电子的干涉上。然后，一个主要的作用是远离狄拉克点的狄拉克锥的翘曲。在狄拉克点附近的台阶的存在所带来的另一个显着的效果的存在，实验证明在这里。即台阶附近的能带弯曲导致相应势阱中一维束缚态的形成。本文报道了我们在拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$表面的扫描隧道显微镜和光谱研究中观察到的这种势阱中的束缚态。数值模拟支持我们的结论，并提供了一个配方，识别这样的状态。
Ultrafast electron dynamics at the Dirac node of the topological insulator Sb$_2$Te$_3$
拓扑绝缘体是物质的一种新的量子态。它们的表面和界面作为一个拓扑边界，产生无质量的狄拉克费米子与自旋螺旋纹理。研究狄拉克点附近的费米子动力学对拓扑绝缘体自旋电子器件的未来发展至关重要。然而，迄今为止的研究一直是不令人满意的，因为大量的重叠与体价带和缺乏一个完全未被占用的狄拉克点（DP）。在这里，我们探索表面狄拉克费米子动力学的TI Sb $_2$ Te $_3$的时间和角度分辨光电子能谱（TRARPES）。Sb $_2$ Te $_3$具有完全位于费米能（$E_F$）之上的DP，具有带隙内DP。上狄拉克锥中的受激电子比狄拉克点以下的受激电子停留更长的时间，以形成反转的布居。这归因于DP附近的态密度（DOS）降低。
Remote Moiré Modulation of Decoupled Dirac Subsystems in Twisted Trilayer Graphene
Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)（大邱庆北科学技术院）；National Institute for Materials Science（国立材料研究所）；Korea Advanced Institute of Science and Technology（韩国科学技术院）；Institute for Basic Science（基础科学研究院）
Non-trivial spin-texture of the coaxial Dirac cones on the surface of topological crystalline insulator SnTe
本文采用第一性原理计算研究了拓扑晶体绝缘体SnTe的非平凡表面态及其自旋织构。[001]表面上的表面态色散呈现出四个Dirac-cone，中心位于镜面和表平面的相交处。我们提出了一个简单的模型，两个相互作用的同轴狄拉克锥来描述的表面态色散和相关的自旋纹理。虽然由于晶体和时间反转对称性，面外自旋极化为零，但由于两个同轴狄拉克锥的相互作用，面内自旋织构显示出螺旋性和一些扭曲，表明非平凡的镜像陈氏数为-2，不同于$Z_{2}$拓扑绝缘体（如Bi/Sb合金或Bi $_2$ Se $_3$）中的值-1。表面态色散和它的自旋织构将提供一种实验上可获得的方法来确定非平凡的镜像陈氏数。
Topological Control: Systematic control of topological insulator Dirac fermion density on the surface of Bi2Te3
三维（3D）拓扑绝缘体是具有自旋-轨道诱导的体绝缘带隙的量子材料，其在不存在外加磁场的情况下表现出量子霍尔现象。拓扑绝缘体在器件几何结构中的拟议应用依赖于在狄拉克节点附近调节其表面上的化学势的能力。在这里，我们展示了一套基于光掺杂和分子掺杂相结合的表面控制方法，以系统地调整Bi 2 Te 3的拓扑（111）表面上的狄拉克费米子密度。它们的功效通过使用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）的直接电子结构拓扑测量来证明。这些结果为探索Bi 2 Te 3表面Dirac电子的拓扑行为提供了新的机会。这里所示的方法中的至少一种可以成功地应用于其他拓扑绝缘体，例如Bi{1-x}Sb{x}、Sb 2 Te 3和Bi 2Se 3，这些将在别处示出。更重要的是，我们的拓扑表面状态操纵的方法在这里展示了非常适合未来的拓扑现象，这将补充从传统的电门控技术获得的传输结果的光谱研究。
One-dimensional channel for Dirac electrons in a 3D topological insulator
拓扑绝缘体代表了一种新的物质状态，其中体能带的拓扑性质决定了具有独特性质的表面态的存在。这些材料被预测为主机异国情调的状态，如马约拉纳费米子和1D手征模式，其中许多需要一个微妙的调谐狄拉克点附近的表面状态的属性。利用扫描隧道显微镜（STM）对典型的拓扑绝缘体Bi 2 Te 3进行了研究，发现了一维拓扑条纹，这种条纹可以引起电子结构的空间调制变化。直接磁场测量揭示了朗道能级能量的条纹图案，其可用于实现具有交替填充分数的空间区域。当化学势被适当调节时，观察到的调制将指示在条纹之间的边界处存在拓扑1D手性模式，并为在拓扑绝缘体中实验实现1D无耗散量子线提供平台。我们的发现，表面态色散调制纳米尺度上的内在地形路线代表了一个新的范例控制狄拉克电子的性质。
Measurement of intrinsic Dirac fermion cooling on the surface of a topological insulator Bi$_2$Se$_3$ using time- and angle-resolved photoemission spectroscopy
我们进行时间和角度分辨的光电子能谱的原型拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$的表面和体电子光激发后的超快动力学研究。通过分析表面态和体能带谱的演化，分别得到了它们的电子温度和化学势弛豫动力学。这些动力学揭示了强声子辅助的表面-体耦合在高晶格温度和总抑制在低晶格温度的表面和体之间的非弹性散射。在这个低温制度下，独特的冷却狄拉克费米子在TI的声学声子表现出通过幂律依赖的表面温度衰减速率载流子密度。
Probing Dirac Fermion Dynamics in Topological Insulator Bi$_2$Se$_3$ Films with Scanning Tunneling Microscope
利用扫描隧道显微镜和光谱学研究了拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$薄膜中狄拉克费米子的飞秒动力学.在二维极限下，体电子被量子化，量子化可以通过薄膜厚度控制。通过研究驻波（准粒子干涉图样）的空间衰减，直接测量了拓扑表面态电子的相位弛豫长度$l_ϕ$和非弹性散射寿命$τ$与能量和膜厚的关系.我们发现，$τ$表现出显着的$(E-E_F)^{-2}$能量依赖性，并增加与膜厚度。我们发现，所揭示的功能是典型的表面和体状态之间的电子-电子散射。
