拓扑绝缘体代表一种全新的量子物态【1-3】,拥有奇异的电子态性质:它的体态是有能隙的半导体/绝缘体,表面则表现为没有能隙的金属态。由于拓扑序的保护,它的表面态穿越费米面基数次,同时表面态是非常的健壮,不易被破坏【4,5】。同时它具有线性色散关系和特殊自旋织构【2】的狄拉克费米子。

我们组首先生长出了一系列高质量的Bi2(Te,Se)3拓扑绝缘体单晶样品,实现了样品体态载流子从电子型到空穴型的演变。同时利用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【6】,对典型的三维拓扑绝缘体Bi2Se3和Bi2Te3在暴露空气后的表面态电子结构进行了研究【5】。后来针对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的问题,我们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【8】。同时我们用我们自主研发的自旋分辨角分辨光电子能谱系统【7】,对Bi2Se3的自旋结果做了深入的研究,观察到了一种新的基于自旋和形成表面态的p轨道电子的织构【7】。


图一,空气解理的拓扑绝缘体Bi2Se3能带与费米面

图二,空气解理及暴露氮气后的拓扑绝缘体Bi2Te3的能带与费米面。图4a和b为真空解理样品的能带。图4l为理论计算七层Bi2Te3薄膜的能带。

图三. 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。

图四, 理论预言不同极化光测试时的spin-orbital texture。

图五, 不同极化光下,SARPES的测试结果。

Reference
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