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中国科学院物理研究所 EX7组供稿 第5期 2017年02月10日
北京凝聚态物理国家实验室
As(111)表面观测到拓扑纠缠Shockley表面态
  由于平移对称性的破缺,在晶体材料的表面可能会存在表面电子态。1939年,Shockley发现晶体场导致的体态反转能隙中会出现表面态,后来被称为Shockley表面态。它在许多金属,例如金、银、铜、铂、钯、铍、镁等,的表面广泛存在。Shockley表面态通常表现出近自由电子型(即抛物线型)的能带色散,位于晶体场导致的体态能带反转的能隙中,并且连接到体态的反转能带交叉的位置(图1b)。由于表面中心反演对称性破缺,材料中的自旋-轨道耦合会导致Shockley表面态能带出现Rashba型的自旋劈裂,最著名的例子就是Au(111)面上Rashba劈裂的Shockley表面态。
  另一方面,由于自旋-轨道耦合,体态反转能带在交叉的位置通常会打开能隙,导致半金属型的电子结构,即价带和导带之间在布里渊区每个位置都存在直接能隙。和拓扑绝缘体类似,也可以计算半金属材料的Z2拓扑不变量。对于拓扑非平庸的半金属(Z2 = 1),Rashba劈裂的表面态能带在自旋-轨道耦合打开的能隙附近分别连接价带和导带,即拓扑纠缠的Shockley表面态(图1a)。对于拓扑平庸的半金属(Z2 = 0),表面态能带同时连接导带或价带,即传统意义上的Shockley表面态(图1c)。
  最近的一些理论工作开始关注金属表面上Shockley表面态的拓扑性质。从实验上判断其拓扑性质最直接的方法就是用角分辨光电子能谱(ARPES)探测表面态与体态之间的连接方式。然而,对于这些已知的Shockley表面态,实验验证有很大的困难。例如金、银、铜、铂、钯的Shockley表面态连接体态的位置在费米能级以上几个eV,而常规ARPES只能测量费米能级以下的占据态,即使利用泵浦技术的ARPES也只能探测费米能级以上一定范围内的未占据态;铍和镁的自旋-轨道耦合很小,对能带几乎没有影响,无法通过实验分辨出表面态和体态的连接方式来确定其拓扑性质。
  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)EX7组博士生张鹏(现为东京大学博士后)、博士生马均章、钱天副研究员和丁洪研究员与东京大学物性研究所的Shik Shin教授研究组合作,利用激光光源和同步辐射光源ARPES,首次测量了单质As单晶的电子能带结构,揭示了As(111)表面存在拓扑纠缠的Shockley表面态。SC10组博士生赵凌霄和陈根富研究员提供高质量As单晶样品,T04组博士生许秋楠和翁红明研究员进行了能带计算。
As在费米能级附近存在晶体场导致的反转能隙,ARPES测量As(111)面清晰地观察到能隙中存在表面态。该表面态在费米能级以下具有近自由电子型的能带色散,并显示出Rashba型的自旋劈裂(图2)。通过以上特征可以确认其属于Shockley表面态。利用泵浦技术,测量了费米能级以上未占据态的电子结构,观测到表面态能带在费米能级以上明显偏离近自由电子型色散,并分别连接体态的导带和价带,确定了其具有拓扑非平庸的属性(图3)。第一性原理计算也确认了As具有拓扑非平庸属性,并且高度复现了实验观测结果(图3c)。这些结果揭示了As(111)面存在拓扑纠缠Shockley表面态。
  这一研究成果1月27日在线发表在Physical Review Letters 118, 046802 (2017)上,并入选PRL编辑推荐亮点工作。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部“国家重大科学研究计划”和“国家重点研发计划”、中国科学院先导B项目的支持。
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.046802
图1:Shockley表面态出现在晶体场导致的sp能带反转能隙中(b)。当引入自旋-轨道耦合,演化成具有Rashba劈裂的拓扑非平庸(a)或者平庸(c)的表面态。
图2:(a)As(111)面布里渊区中心附近费米面强度图,显示出Rashba劈裂的表面态形成两个同心圆型的费米面。(b)表面态能带具有Rashba劈裂的近自由电子形式的色散。(c)Rashba劈裂表面态能带具有自旋极化。
图3:(a)利用泵浦技术测量未占据态的电子结构(上半部分)。(b)沿\(\bar{\Gamma}-\bar{K}\) 方向能带拓扑的示意图。(c)第一性原理计算高度复现实验结果。
下载附件>> Topologically Entangled Rashba-Split Shockley States on the Surface of Grey Arsenic.pdf
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