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中国科学院物理研究所 SC7组供稿 第39期 2013年08月22日
北京凝聚态物理国家研究中心
拓扑绝缘体中狄拉克费米子动力学的研究取得进展
    作为一种全新的量子物质态,拓扑绝缘体的体态是有能隙的半导体/绝缘体,表面则表现为无能隙的金属态,存在着具有线性色散关系和特殊自旋织构的狄拉克费米子。拓扑绝缘体不仅为实现众多新奇的物理现象提供了良好的载体,同时也在自旋电子学和量子计算等方面有着诱人的应用前景。这些应用所基于的狄拉克费米子的自旋和电荷的输运性质,均由狄拉克费米子的电子动力学性质决定。具体来说,狄拉克费米子同其他粒子诸如电子、声子或杂质的散射决定了其在输运过程中载流子的寿命、平均自由程和迁移率等基本的物理参量。
    对于三维拓扑绝缘体材料中研究最广泛的Bi2(Se,Te)3体系,虽然已有大量的研究工作,但实验上一直很难直接观测狄拉克费米子的输运特性。首先,由于缺陷的存在,Bi2(Se,Te)3体系体态易导电,输运信号主要由体态载流子占主导地位。其次,样品在暴露于外界条件的情况下,表面的载流子情况变得复杂,而且它们的迁移率不够高。虽然在拓扑绝缘体中严格的背散射是受到抑制的,但向其他方向的散射却可以存在。因此,研究狄拉克费米子输运过程中的散射机制及其控制对研究拓扑绝缘体相关的物理尤为重要。
    中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导国家重点实验室SC7组周兴江研究员和研究生陈朝宇等,利用他们自主研制的高分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱系统,对典型的三维拓扑绝缘体Bi2(Se,Te)3体系中狄拉克费米子的动力学性质进行了系统深入的研究并取得了重要结果。基于激光角分辨光电子能谱超高分辨率的优势,他们在Bi2Se3中第一次观测到了狄拉克费米子与声子的耦合(图1),具体表现在表面态色散关系中的明显扭折(图1c和1d左侧红线),自能实部中的峰(图1c和1d右侧图中的黑点)以及虚部线型中的陡降(图1c和1d右侧图中的蓝点),由此得到的电声子耦合强度为λ= 0.17。与此相反,空穴型的Bi2Te3中则观测不到电声子耦合的明显迹象(图2),表明该材料中电声子耦合强度非常弱。
    进一步,通过对Bi2(Te3-xSex)系列样品中狄拉克费米子多体效应的研究(图3),建立了狄拉克费米子动力学性质随掺杂含量的演化相图(图4)。由此可见,(1)狄拉克费米子的动力学性质, 包括电声子耦合强度及特征能量,电子杂质散射的强度等,可以通过改变Se的含量进行调节; (2). 狄拉克费米子的动力学性质, 也可以通过控制载流子的类型来实现调控。空穴型掺杂的Bi2Te3中电声子耦合极弱,但电子型掺杂的Bi2Te3中则表现出明显的电声子耦合强度; (3). 相比于电声子耦合,对于狄拉克费米子的动力学性质起决定作用的是电子与杂质的散射; (4). 和Bi2Se3体系相比,空穴型Bi2Te3体系中的电声子相互作用强度较弱,同时杂质散射也比较弱,因此更有利于研究狄拉克费米子的输运性质。
    此项工作清楚地证明了拓扑绝缘体中狄拉克费米子与声子耦合的存在,以及狄拉克费米子动力学性质的可调节性。这些结果为狄拉克费米子的输运性质的研究及潜在的实际应用提供了重要的信息。相关结果发表在Scientific Reports上(Scientific Reports 3, 2411; DOI:10.1038/srep02411 (2013))。此项工作得到了国家自然科学基金和科技部973计划的支持。
    相关链接:http://www.nature.com/srep/2013/130812/srep02411/full/srep02411.html
图1. 拓扑绝缘体Bi2Se3中观察到明显的电声子相互作用。
图2. 空穴型拓扑绝缘体Bi2Te3中极弱的电声子相互作用。
图3. 拓扑绝缘体Bi2(Te3-xSex)表面态电子结构和电子自能随组分的演变。
图4. 拓扑绝缘体Bi2(Te3-xSex)表面态电声子相互作用以及电子杂质散射随组分的演变。
下载附件>> Tunable Dirac Fermion Dynamics in Topological Insulators
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