Энергетическая структура поверхностных состояний топологического изолятора Bi2Se3 вблизи ступеней поверхности / Федотов Н.И., Зайцев-Зотов С.В.

Топологические изоляторы характеризуются наличием топологически защищенныхповерхностных состояний на фоне объемной запрещенной зоны. В случае топологического изолятораBi2Se3 эти поверхностные состояния образуют в обратном пространстве перекрывающийэнергетическую щель объема конус, вершина которого называется точкой Дирака.Безмассовые дираковские электроны обладаютрядом экзотических свойств. Например, они могутпроходить без отражения через потенциальную ступеньку(клейновское туннелирование), что приводит кневозможности ограничения безмассовых электронов водномерном случае с помощью одного лишьэлектрического поля. В этом контексте интереспредставляет изучение топологически защищенныхповерхностных состояний вблизи протяженных дефектов,в частности ступеней, неизбежно присутствующих наповерхности топологического изолятора.В результате исследований поверхноститопологического изолятора Bi2Se3 методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопииобнаружено наличие изгиба зон вблизи ступеней поверхности, что означает формированиепотенциальной ямы для электронов с характерными значениями глубины и ширины ~0.1 эВ и ~10 нм.При этом величина нормированной дифференциальной туннельной проводимости dI/dV в точкеДирака растет при приближении к краю ступени [1]. Эти результаты намекают на существованиекраевых состояний вблизи ступеней. Однако анализ влияния изгиба зон на туннельные спектры спомощью модели планарного туннельного контакта в рамках квазиклассического приближенияпоказал, что при учете зависимости прозрачности туннельного барьера от приложенного напряженияизгиб зон приводит не только к сдвигу кривой дифференциальной туннельной проводимости, но и кпоявлению поправки к dI/dV [2]. Таким образом, рост дифференциальной туннельной проводимостисам по себе не является доказательством наличия краевых состояний. Детальное исследование формытуннельных спектров, подкрепленное численным моделированием на основе двумерногодираковского гамильтониана, показало, что, действительно, в потенциальных ямах вблизи ступенейформируются связанные одномерные состояния двумерных дираковских электронов [3]. Кроме того,моделирование состояний дираковских электронов вблизи ступеней поверхности и боковых граней втрехмерном случае в рамках эффективного континуального гамильтониана показало, что наличияступеней недостаточно для появления краевых состояний, в то время как различие работ выхода наразных гранях приводит к образованию связанных на этих гранях состояний [4].