Strong and Weak Three-Dimensional Topological Insulators Probed by Surface Science Methods
Markus Morgenstern, Christian Pauly, Jens Kellner, Marcus Liebmann, Marco Pratzer, Gustav Bihlmayer, Markus Eschbach, Lukacz Plucinski, Sebastian Otto, Bertold … 展开作者
Markus Morgenstern, Christian Pauly, Jens Kellner, Marcus Liebmann, Marco Pratzer, Gustav Bihlmayer, Markus Eschbach, Lukacz Plucinski, Sebastian Otto, Bertold Rasche, Michael Ruck, Manuel Richter, Sven Just, Felix Luepke, Bert Voigtlaender
We review the contributions of surface science methods to discover and improve 3D topological insulator materials, while illustrating with examples from our own work. In particular, we demonstrate that spin-polarized angular-resolved photoelectron spectroscopy is instrumental to evidence the spin-helical surface Dirac cone, to tune its Dirac point energy towards the Fermi level, and to discover novel types of topological insulators such as dual ones or switchable ones in phase change materials. Moreover, we introduce procedures to spatially map potential fluctuations by scanning tunneling spectroscopy and to identify topological edge states in weak topological insulators.
Insulator-to-metal transition in the pyrochlore iridates series (Eu_1-xBi_x)2Ir2O7 probed using Hard X-ray Photoemission Spectroscopy
Eu 2 Ir 2 O 7，一个候选的Weyl半金属，显示了绝缘体到金属的过渡作为Bi取代在Eu网站的功能。本文采用硬X射线光电子能谱（HAXPES）研究了（Eu_（1-x）Bi_x）_2 Ir_2 O_7系列样品，发现Bi ~（3+）掺杂Eu ~（3+）时，在低Bi掺杂（3.5%）时，出现了20%的晶格收缩.使用HAXPES，我们确认，所有的阳离子保持其名义价态在整个系列。Bi芯能级谱的非对称性质的组合物中的金属区域表明，Bi有助于在此掺杂范围内的费米能的状态密度。价带谱表明Bi 6s峰在整个系列中没有改变，并且位于价带内的深处。基于这些观察，我们认为Bi 6p-Ir 5d杂化驱动绝缘体到金属的转变。
Role of Oxygen Electrons in the Metal-Insulator Transition in the Magnetoresistive Oxide La$_{2-2x}$Sr$_{1+2x}$Mn$_2$O$_7$ Probed by Compton Scattering
Spin-polarization of topological crystalline and normal insulator Pb$_{1-x}$Sn$_x$Se (111) epilayers probed by photoelectron spectroscopy
拓扑晶体绝缘体（TCI）表面的螺旋自旋织构使得这些材料在自旋电子学中的应用具有吸引力。本文利用角分辨光电子能谱（SR-ARPES）和自旋分辨光电子能谱（SR-ARPES）研究了（111）取向Pb $_{1-x}$ Sn $_x$ Se TCI外延膜的自旋极化和表面态电子结构。采用分子束外延（MBE）方法生长了不同Sn含量的高质量外延层。拓扑正常的绝缘体转变表现为带隙开放观察。结果表明，不仅可以通过改变外延层的Sn含量，而且还可以通过在其表面上沉积过渡金属（TM）来诱导间隙打开。在后一种情况下，所观察到的表面状态的缺口是由表面组成的变化，而不是由磁性。我们还表明，螺旋自旋极化不仅存在于拓扑组成的样品，但也为平凡的（具有开放的带隙）。所观察到的自旋极化达到30%的值的面内自旋分量，几乎不存在的面外的。我们相信，我们的工作将铺平道路的应用不仅拓扑，而且正常的铅锡硫族化合物的绝缘体的表面态的自旋电荷转换器件。
Room Temperature Electrical Detection of Spin Polarized Currents in Topological Insulators
拓扑绝缘体（TI）是一类新型量子材料，在表面态表现出无质量狄拉克费米子的自旋动量锁定（SML）。通常的光学方法，如角度和自旋分辨光电子能谱，已被用来观察螺旋自旋极化的表面态的三维（3D）TI到室温。最近，自旋极化的表面电流在3D TI检测的电气方法使用铁磁（FM）接触在横向自旋阀测量几何。然而，迄今为止，用这种电学方法探测自旋织构仅限于125K以下的温度，这限制了其应用潜力。在这里，我们展示了室温下的电检测的自旋极化的表面上的Bi $_2$ Se $_3$由于SML通过采用自旋敏感FM隧道接触。在Bi $_2$ Se $_3$表面上的电流诱导自旋极化在室温下通过测量自旋阀信号同时切换FM检测器的磁化方向来探测。自旋信号随电流偏置线性增加，与电流方向相反的符号，表现出弱的温度依赖性，并随着TI厚度的增加而减小，理论预测。我们的结果证明了3D TI表面上自旋极化的电检测，这可能会导致环境温度下创新的基于自旋的量子信息技术。
Controlling polarization at insulating surfaces: quasiparticle calculations for molecules adsorbed on insulator films
通过准粒子能量计算的G 0 W 0方法，我们显示了典型的绝缘体/半导体系统NaCl/Ge（001），在界面处的极化效应显着影响分子的激发光谱吸附在表面上的NaCl薄膜。可以通过改变膜的厚度来控制效应的大小，从而为调节例如分子电子学或量子输运中的电子激发提供新的机会。极化效应是可见的，即使是NaCl膜本身的激发光谱，这具有重要意义的解释绝缘体表面的表征的表面科学实验。
Thermodynamics of the insulator-metal transition in dense liquid deuterium
近期动态压缩实验[M. D. Knudson等人，Science 348，1455（2015）; P. M. Celliers等人，Science 361，677（2018）]已经观察到致密液体氘中的绝缘体-金属转变，但在可比的估计温度下，转变的引用压力差异约为95 GPa。这两篇论文中的后一篇声称，第一篇忽略了对温度有很大的潜热影响，需要将这些温度向下校正两倍，从而将两个实验放在相同的理论相边界上，并调和压力差异。我们已经进行了广泛的路径积分分子动力学计算与密度泛函理论直接计算的等熵温度下降，由于潜热在绝缘体-金属过渡的稠密液体氘，并显示，这个大的温度下降是不符合基本的热力学。
Large Itinerant Electron Exchange Coupling in the Magnetic Topological Insulator MnBi2Te4
拓扑材料中的磁性产生了表现出量子化输运现象的相，在自旋电子学和量子信息中有应用。这种相的出现依赖于局域自旋和包含拓扑能带的巡回态之间的强相互作用，以及随后交换能隙的形成。然而，这种相互作用从未在任何内禀磁性拓扑材料中测量过。使用多峰的方法，这种交换相互作用的测量MnBi 2 Te 4，第一个实现的内禀磁性拓扑绝缘体。询问非平衡自旋动力学，巡回乐队被发现表现出强烈的交换耦合本地化锰自旋。动量分辨的超快电子散射和磁光测量表明，巡游自旋通过电子-声子散射在皮秒时间尺度上的无序。局部Mn自旋，探测共振X射线散射，无序同时与巡回自旋，尽管从初始激发大力去耦。使用原子模拟对结果进行建模，估计定域自旋和巡回自旋之间的交换耦合比超交换相互作用大100倍以上。这意味着在拓扑表面态中应该发生>25 meV的交换能隙。通过直接量化本地巡回交换耦合，这项工作验证了材料的设计策略，利用本地化磁秩序创建和操纵磁拓扑相位，从静态到超快的时间尺度。
