論文の概要: Topology of Bi$_2$Se$_3$ nanosheets
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2309.02792v4
- Date: Fri, 16 Feb 2024 17:13:59 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-02-19 20:32:33.305543
- 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: 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。
細いBi$Se$_3$ナノシートのトポロジ特性は,表面状およびバルク状キャラクタリゼーションのバンド間の相互作用の結果現れる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Recently, the quantum spin-Hall edge channels of two-dimensional colloidal
nanocrystals of the topological insulator Bi$_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 at the $\Gamma$ point 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
states 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 interplay between
bands of surface-like and bulk-like character. Specifically, contrary to the
situation in the four-band model, the surface-like bands of the eight-band
model are topologically nontrivial due to a band inversion enabled by the
presence of the additional bulk-like 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 $\boldsymbol{k} \boldsymbol{k} \boldsymbol{p}$ モデルから派生したもので、物質が小さな厚さのために隙間となる$\Gamma$ 点における上下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、曲面状態に加えて、フェルミ準位に最も近いバルク状態の集合も組み込む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特性は,表面状およびバルク状キャラクタリゼーションのバンド間の相互作用の結果現れることを示した。
具体的には、4バンドモデルの状況とは対照的に、8バンドモデルの面状バンドは、追加のバルク状バンドの存在により可逆性があるため、位相的に非自明である。
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