Research Abstract

トポロジカル絶縁体Bi2-xSbxTe3-ySeyにおける調整可能なディラックコーン

Tunable Dirac cone in the topological insulator Bi2-xSbxTe3-ySey

2012年1月24日 Nature Communications 3 : 636 doi: 10.1038/ncomms1639 (2012)

三次元トポロジカル絶縁体は、バルクは絶縁体であるにもかかわらず、その表面にギャップのない金属的なディラックコーン状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体のデバイスへの応用には、バルクの高い絶縁性と調整可能なディラックキャリアが必要であり、これまで実現が困難であった。今回我々は、Bi2-xSbxTe3-ySeyがこれらの要求を同時に両方とも満たす系であることを実証した。バルクが絶縁的な輸送特性を示す一連の組成について、化学ポテンシャルは常にバンドギャップ内にあるが、xの増加とともにディラック点のエネルギーが上昇するようにディラックコーンの分散が変化し、x~0.9のところでディラックキャリアの符号が反転することが、角度分解光電子分光法によって明らかになった。このような調整可能なディラックコーンは、トポロジカル絶縁体を利用する新たなデバイスを開発する道筋を開くと期待される。

荒金 俊行1, 佐藤 宇史2, 相馬 清吾1, 高坂 研一郎2, 中山 耕輔2, 小松 誠2, 高橋 隆1,2, Zhi Ren3, 瀬川 耕司3 & 安藤 陽一3

  1. 東北大学原子分子材料科学高等研究機構
  2. 東北大学大学院理学研究科物理学専攻
  3. 大阪大学 産業科学研究所

The three-dimensional topological insulator is a quantum state of matter characterized by an insulating bulk state and gapless Dirac cone surface states. Device applications of topological insulators require a highly insulating bulk and tunable Dirac carriers, which has so far been difficult to achieve. Here we demonstrate that Bi2-xSbxTe3-ySey is a system that simultaneously satisfies both of these requirements. For a series of compositions presenting bulk-insulating transport behaviour, angle-resolved photoemission spectroscopy reveals that the chemical potential is always located in the bulk band gap, whereas the Dirac cone dispersion changes systematically so that the Dirac point moves up in energy with increasing x, leading to a sign change of the Dirac carriers at x~0.9. Such a tunable Dirac cone opens a promising pathway to the development of novel devices based on topological insulators.

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