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。
英文摘要：
Topological insulators (TIs) are a new quantum state of matter. Their surfaces and interfaces act as a topological boundary to generate massless Dirac fermions with spin-helical textures. Investigation of fermion dynamics near the Dirac point is crucial for the future development of spintronic devices incorporating topological insulators. However, research so far has been unsatisfactory because of a substantial overlap with the bulk valence band and a lack of a completely unoccupied Dirac point (DP). Here, we explore the surface Dirac fermion dynamics in the TI Sb$_2$Te$_3$ by time- and angle-resolved photoemission spectroscopy (TrARPES). Sb$_2$Te$_3$ has a DP located completely above the Fermi energy ($E_F$) with an in-gap DP. The excited electrons in the upper Dirac cone stay longer than those below the Dirac point to form an inverted population. This was attributed to a reduced density of states (DOS) near the DP .
Ultrafast helicity control of surface currents in topological insulators with near-unity fidelity
近年来，出现了一类称为三维拓扑绝缘体的固态材料。在本体中，拓扑绝缘体的行为与带隙的普通绝缘体一样。在表面，存在导电的无带隙状态，显示出显著的性质，如螺旋狄拉克色散和抑制自旋极化的载流子的背散射。通过传输实验表征和控制表面状态往往受到阻碍，但在低温下的剩余散装贡献。在这里，我们表明，在Bi 2 Se 3的表面电流可以控制圆偏振光在皮秒的时间尺度上的保真度接近统一，即使在室温下。我们揭示了这种超快的螺旋度依赖的表面电流的时间分离的光致热电和漂移电流的散装。我们的研究结果揭示了基于拓扑绝缘体表面电流的超快光电子器件的功能。
Ultrafast Optical Excitation of a Persistent Surface-State Population in the Topological Insulator Bi2Se3
利用飞秒时间和角度分辨光电子能谱研究了拓扑绝缘体Bi 2 Se 3的非平衡动力学行为。我们研究了p型Bi_2Se_3，其中金属狄拉克表面态和体导带未被占据。光学激发导致在体导带边缘处的亚稳态布居，其供给表面态的非平衡布居，该非平衡布居持续>10ps。这种具有自旋纹理的金属狄拉克表面态的异常长寿的人口可能会提供一个驱动瞬态自旋极化电流的通道。
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。
Ultrafast Electron Dynamics in the Topological Insulator Bi2Se3 Studied by Time-Resolved Photoemission Spectroscopy
我们用时间和角度分辨光电子能谱对拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$进行了表征.利用双光子光电子能谱，得到了从费米能级到真空能级的完整的电子结构图。我们证明，未被占据的态具有第二个狄拉克表面态，该表面态可以被1.5 eV的光子共振激发。然后我们研究了光激发后的超快弛豫过程。我们发现，他们最终在一个持久的非平衡人口的第一狄拉克表面状态，这是由一个亚稳定人口的体导带。最后，我们对导带中的电子-声子散射过程进行了温度相关的研究，并发现了意想不到的结果，即它们的速率随着样品温度的升高而降低。我们开发了一个模型的声子发射和吸收人口的电子，并表明，这种反直觉的趋势是自然的结果，基本的电子-声子散射过程。这种分析作为一个重要的提醒，时间分辨光电发射提取的衰变率一般不等于单电子散射率，但包括从连续状态的填充和排空过程的贡献。
Ultrafast Spin-To-Charge Conversion at the Surface of Topological Insulator Thin Films
强自旋-轨道耦合导致自旋-动量锁定表面态的形成，赋予拓扑绝缘体优越的自旋-电荷转换特性，尽管支配它的动力学仍然难以捉摸。在这里，我们提出了一种全光学方法，使前所未有的跟踪超快动力学的自旋-电荷转换的原型拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$ /铁磁Co异质结构，下至亚皮秒的时间尺度。与纯Bi $_2$ Se $_3$或Co相比，我们观察到异质结构中的巨太赫兹发射，而不是源于自旋-电荷转换，其中拓扑表面态起着至关重要的作用。我们确定了一个0.12皮秒的时间尺度，设定了拓扑绝缘体的自旋到电荷转换过程的技术速度限制。此外，我们表明，自旋-电荷转换效率是温度无关的Bi $_2$ Se $_3$预期从表面状态的性质，铺平了道路，为设计下一代高速光自旋电子器件的基础上拓扑绝缘体在室温下。
First-order kinetics bottleneck during photoinduced ultrafast insulator-metal transition in 3D orbitally-driven Peierls insulator CuIr$_{2}$S$_{4}$
尖晶石结构的CuIr $_{2}$ S $_{4}$化合物显示出相当不寻常的轨道驱动的三维Peierls类绝缘体-金属转变。由于亚稳态辐照诱导无序弱导电态的存在，低温超导破缺绝缘态特别有趣。本文利用全光超快多脉冲时间分辨光谱技术研究了强飞秒光脉冲辐照效应。我们发现，低T对称破缺态的结构相干性强烈抑制在亚皮秒的时间尺度上的阈值激发通量以上，导致在结构上不均匀的瞬态持续几十皮秒，然后恢复到低T无序弱导电状态。电子顺序示出了在显著较低的注量阈值下的瞬态间隙填充。这些数据表明，光诱导过渡到高T金属相的动力学是由一阶过渡成核动力学，防止完整的超快结构转变，即使当吸收的能量显着超过平衡焓差的高T金属相。与此相反，动态解耦的电子顺序是短暂的亚皮秒时间尺度上，而独立地抑制由于光诱导莫特过渡。
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。
Model of ultrafast demagnetization driven by spin-orbit coupling in a photoexcited antiferromagnetic insulator Cr2O3
本文从理论上研究了反铁磁绝缘体Cr $_{2}$ O $_{3}$在激光脉冲泵浦下的动态时间演化。通过求解耗散薛定谔方程，研究了从高自旋四重态到长寿命低自旋二重态的超快退磁过程。我们发现，退磁时间是数百飞秒的顺序，与最近的实验很好地吻合。通过适当调节Cr $^{3+}$多重态能级之间的能隙，可以大大减少开关时间。此外，弛豫时间还依赖于第一光激发态原子轨道的杂化。我们的研究结果表明，选择性操纵的电子结构的工程应力应变或化学取代允许有效地控制的磁状态切换的光激发绝缘过渡金属氧化物。
Ultrafast signatures of Dirac / flat-band hybrid states from time-resolved ARPES
University of Regensburg（雷根斯堡大学）；Christian-Albrechts-Universität zu Kiel（基尔大学）；Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步辐射中心）；Chemnitz University of Technology（开姆尼茨工业大学）
Direct observation of decoupled Dirac states at the interface between topological and normal insulators
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。
