Ballistische Kantenkanäle in ultradünnen topologischen Isolator-Filmen

Es ist bekannt, dass 3D-topologische Isolatoren 2D-Dirac-ähnliche topologische Oberflächenzustände aufweisen, bei denen die Spin-Moment-Verriegelung eine Rückstreuung verhindert. Bei einer Verdünnung auf wenige Nanometer führt die Hybridisierung zwischen den topologischen Oberflächenzuständen an der oberen und unteren Oberfläche zu einem topologischen Quantenphasenübergang, der zur Entstehung einer Quanten-Spin-Hall-Phase mit spinpolarisierten ballistischen Randzuständen führen kann. Die dickenabhängigen Transporteigenschaften von (Bi0.16Sb0.84)2Te3-Filmen werden in-situ mit Hilfe der Multispitzen-Rastertunnelmikroskopie gemessen. Die Ergebnisse zeigen einen exponentiellen Abfall der Leitfähigkeit unterhalb der kritischen Dicke. Die Steilheit dieses Abfalls deutet auf das Vorhandensein von spin-erhaltender Rückstreuung zwischen den oberen und unteren Oberflächenzuständen hin, wodurch die Spin-Moment-Verriegelung effektiv aufgehoben wird und sich eine Lücke am Dirac-Punkt öffnet [1].

Quanten-Spin-Hall-Isolatoren (QSH) haben einzigartige elektronische Eigenschaften, die eine Bandlücke in ihrem 2D-Inneren und 1D-spinpolarisierte Randzustände umfassen, in denen Strom ballistisch fließt. In der Rastertunnelmikroskopie (STM) zeigen sich die Randzustände als eine erhöhte lokale Zustandsdichte (LDOS). Es besteht jedoch eine erhebliche Forschungslücke zwischen der Beobachtung von Randzuständen in der Nanospektroskopie und dem Nachweis von ballistischem Transport in Randkanälen, der typischerweise auf Transportexperimenten mit mikroskaligen lithografischen Kontakten beruht. Hier werden wenige Schichten des topologischen 3D-Isolators (Bi_0.16Sb_0.84)₂Te₃ untersucht, für den ein topologischer Übergang zu einer topologischen 2D-QSH-Isolatorphase vorgeschlagen wurde. In der Tat wird ein Randzustand im LDOS innerhalb der Bandlücke beobachtet. In Transportexperimenten im Nanomaßstab mit einem Vierspitzen-STM zeigen zwei Fünffachschichten jedoch keine ballistische Leitfähigkeit in den Kantenkanälen und somit keine QSH-Kantenzustände. Dies zeigt, dass der Nachweis von Kantenzuständen in der Spektroskopie irreführend sein kann, wenn es um die Identifizierung einer QSH-Phase geht. Im Gegensatz dazu sind Multispitzen-Transportexperimente im Nanomaßstab eine robuste Methode, um ballistische Kantenkanäle im Gegensatz zu trivialen Kantenzuständen in Quantenmaterialien effektiv zu lokalisieren [2].