Nano Lett. : 拓撲絕緣體BiSbTeSe2中拓撲表面態反弱局域化效應的定量分析

【引言】

具有無能隙和螺旋狄拉克錐的拓撲保護表面態是三維拓撲絕緣體的顯著特性之一。拓撲表面態電子的自旋被鎖定在其動量上，當在量子擴散區域中絕熱地通過時間反演保護的自相交路徑后會產生一個非平庸的π 貝利相位。這種非平庸的π 貝利相位導致拓撲絕緣體在低磁場范圍出現弱反局域化 (WAL)效應，即對經典電子電導產生量子修正。最近，三維拓撲絕緣體中拓撲表面態的WAL效應的觀察結果已得到廣泛報道。通常，假設拓撲絕緣體體態的磁導是各向同性的，在減去在平行方向(電流平行于磁場方向)中測量的體態的磁導之后使用Hikami-Larkin-Nagaoka (HLN) 方程可以定量地分析二維拓撲表面態的WAL效應。然而最近的研究表明，拓撲絕緣體體態的磁導是各向異性的。因此，非常需要發展一種可以更準確地消除體態磁導貢獻的方法，以定量分析拓撲表面態的WAL效應。

【成果簡介】
近日，香港科技大學王建農教授(通訊作者)課題組的李惠博士等人提出可通過測量各向異性磁導來準確定分析拓撲絕緣體BiSbTeSe₂ (BSTS)中拓撲表面態的WAL效應，并在Nano Lett.上發表了題為“Quantitative Analysis of Weak Antilocalization Effect of Topological Surface States in Topological Insulator BiSbTeSe₂”的研究論文。作者觀察到由BSTS拓撲表面態的WAL效應引起的異常電導峰以及體態的各向異性磁導。在減去體態的各向異性磁導后，可使用HLN表達式定量分析拓撲表面態的WAL效應。該研究結果為定量分析拓撲絕緣體中拓撲表面態的WAL效應提供了一種可能替代途徑。

【圖文簡介】
圖1 BSTS器件和磁電輸運特性

a) BSTS器件的光學圖像；
b) 零磁場下，BSTS器件電阻(R)隨溫度(T)的變化；
c) x-z平面中，T = 2 K時，BSTS器件在施加磁場方向與電流(I)方向垂直(θ = 0°，黑色曲線)和平行(θ = 90°，紅色曲線)時的磁阻曲線；
d) T = 2 K和低磁場范圍下的BSTS器件在不同的傾斜角θ下測量的磁導率隨磁場法線分量的變化曲線，紅色實線是使用HLN方程的擬合曲線。

圖2 各向異性磁阻(AMC)在x-z平面傾斜中隨磁場的變化

a) T = 2 K、B = 2 T時，BSTS器件縱向電導G_xx (黑色空心方塊)隨角度的變化，紅色和綠色曲線分別是用不同公式擬合的對照結果；
b) T = 2 K、B = 2 T時，BSTS器件縱向電導G_xx (黑色空心方塊)隨角度的變化，紅色曲線是文中公式(1)擬合的結果，藍色曲線是擬合得到的體態各向異性磁導。
c) ΔG_xx (黑色空心方塊)隨角度的變化，ΔG_xx即T = 2 K、B = 2 T時，測量的縱向電導Gxx(θ)與圖b中的藍色曲線之間的差值，紅色曲線是HLN表達式擬合結果。
d) 在T = 2 K時表面態貢獻率隨磁場的變化。

圖3 各向異性磁阻(AMC)在x-z平面傾斜中隨溫度的變化

a) 不同溫度下的BSTS器件的各向異性磁導，測量磁場大小為2 T；
b) 不同溫度下BSTS器件的磁電阻曲線，其中在T <50 K時可以觀察到BSTS在低磁場下的WAL效應；
c) B =2 T時BSTS表面態貢獻率隨測量溫度的變化。

圖4 BSTS器件柵極電壓可調的磁電輸運特性

a) 不同柵極電壓下BSTS器件在零磁場中的R-T曲線；
b) 不同柵極電壓下BSTS器件的霍爾電阻 (R_xy) 隨測量磁場的變化，紅線為線性擬合結果；
c) BSTS器件的載流子密度與柵極電壓的關系；
d) 不同柵極電壓下，BSTS器件的磁阻曲線，內插為V_G = -2 V、T = 2 K的低磁場中測量的WAL效應，紅色實線是使用HLN方程的擬合曲線。

圖5 BSTS器件柵極電壓可調的各向異性磁導

a) 不同柵極電壓下，BSTS器件在B = 3 T、T = 2 K的各向異性磁導曲線；
b) V_G = -2 V、B = 3 T、T = 2 K時，BSTS器件縱向電導G_xx(黑色空心方塊)隨角度的變化，紅色曲線是文中公式(1)擬合的結果，藍色曲線是擬合得到的體態各向異性磁導。
c) ΔG_xx(黑色空心方塊)隨角度的變化，ΔG_xx即測量的縱向電導G_xx(θ)與圖b中藍色曲線之間的差值，紅色曲線是HLN表達式的擬合結果。

【小結】

綜上所述，作者通過測量各向異性磁導率對拓撲絕緣體BiSbTeSe₂(BSTS)中拓撲表面態的WAL效應進行了定量和精確分析。作者觀察到源自BSTS拓撲表面態的WAL效應平行取向的異常電導峰以及體態的各向異性磁導。通過消除體相態的各向異性磁導的貢獻，使用HLN方程進一步定量和精確地分析拓撲表面態的WAL效應。該研究結果為拓撲絕緣子中拓撲表面態WAL效應的精確的定量分析提供了一種替代途徑。

文獻鏈接：Quantitative Analysis of Weak Antilocalization Effect of Topological Surface States in Topological Insulator BiSbTeSe₂ (Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b05186)

本文由材料人編輯部abc940504【肖杰】編譯整理。

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