論文の概要: Topology of Bi$_2$Se$_3$ nanosheets
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2309.02792v3
- Date: Wed, 10 Jan 2024 10:03:04 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-01-11 17:18:57.768436
- Title: Topology of Bi$_2$Se$_3$ nanosheets
- Title（参考訳）: Bi$_2$Se$_3$ナノシートのトポロジー
- Authors: Lucas Maisel Licer\'an, Sebastiaan Koerhuis, Daniel Vanmaekelbergh,
Henk Stoof
- Abstract要約: 近年、トポロジカル絶縁体Bi$Se$_3$の2次元コロイドナノ結晶の量子スピンホールエッジチャネルが直接観測されている。
我々は,この材料の薄いナノシートを記述するために伝統的に用いられてきた4バンド有効モデルを再考する。
8バンドモデルは実験結果のほとんどを捉えるだけでなく、以前の第一原理計算とも一致している。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Recently, the quantum spin-Hall edge channels of two-dimensional colloidal
nanocrystals of the topological insulator Bi$_2$Se$_3$ were observed directly.
Motivated by this development, we reconsider the four-band effective model
which has been traditionally employed in the past to describe thin nanosheets
of this material. Derived from a three-dimensional $\boldsymbol{k}
\boldsymbol{\cdot} \boldsymbol{p}$ model, it physically describes the top and
bottom electronic surface states that become gapped due to the material's small
thickness. However, we find that the four-band model for the surface states
alone, as derived directly from the three-dimensional theory, is inadequate for
the description of thin films of a few quintuple layers and even yields an
incorrect topological invariant within a significant range of thicknesses. To
address this limitation we propose an eight-band model which, in addition to
the surface states, also incorporates the set of bulk bands closest to the
Fermi level. We find that the eight-band model not only captures most of the
experimental observations, but also agrees with previous first-principles
calculations of the $\mathbb{Z}_{2}$ invariant in thin films of varying
thickness. Moreover, we demonstrate that the topological properties of thin
Bi$_2$Se$_3$ nanosheets emerge as a result of an intricate interplay between
the surface and bulk states. In particular, the surface bands of the eight-band
model differ drastically from their counterparts in their four-band model, with
the missing topology of the latter restored by the newly added bulk bands.
- Abstract（参考訳）: 近年, トポロジカル絶縁体Bi$_2$Se$_3$の2次元コロイドナノ結晶の量子スピンホールエッジチャネルが直接観測されている。
本研究は, 従来, 薄いナノシートを記述するために用いられてきた4バンド有効モデルを再考する。
3次元の $\boldsymbol{k} \boldsymbol{cdot} \boldsymbol{p}$ モデルから派生したもので、材料厚みの小さいため隙間となる上面と下面の電子状態を記述する。
しかし、3次元理論から直接導かれる表面状態の4バンドモデルだけでは、いくつかの4重層からなる薄膜の記述には不適切であり、また、かなりの範囲の厚さで不正確な位相不変量が得られることも判明した。
この制限に対処するために、表面状態に加えてフェルミレベルに最も近いバルクバンドの集合も含む8バンドモデルを提案する。
8バンドモデルは実験的な観測のほとんどを捉えているだけでなく、厚さの異なる薄膜における$\mathbb{z}_{2}$の以前の第一原理計算とも一致している。
さらに,細いBi$_2$Se$_3$ナノシートのトポロジー特性は,表面とバルク状態の間の複雑な相互作用の結果現れることを示した。
特に、8バンドモデルの表面バンドは4バンドモデルでは異なる違いがあり、新しく追加されたバルクバンドによって、後者のトポロジーが復元された。
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