退相干效应引起的拓扑绝缘体表面态背散射

最近，公司量子材料科学中心的刘海文、孙庆丰和谢心澄，与访问学者苏州大学江华合作在三维拓扑绝缘体表面态研究方面取得重要进展，研究成果在线发表于7月24号的《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 113, 046805 (2014).

时间反演对称性保护的三维拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理研究的热点之一，其表面态是螺旋无能隙的并且具有自旋-动量锁定特性。研究者普遍认为只有通过引入磁性杂质等方式破坏时间反演对称性后，该螺旋表面态才会打开能隙；而非磁性杂质不会在螺旋表面态中引入背散射。然而，近期发表于Nature Physics等权威物理期刊中的一系列实验观测结果挑战了这些共识。这些实验工作发现：在拓扑绝缘体材料TlBiSe2中掺入非磁性杂质S元素并逐步增大掺杂浓度到10%时，尽管该体系仍是拓扑绝缘体，但表面态出现“奇异”能隙特征【见图1】。这一“奇异”能隙与原有理论不符，其物理起源需要理论工作的阐释。

退相干效应起源于电子-电子或电子-声子相互作用等非弹性散射机制，它广泛存在于凝聚态体系中。在最新的研究文章中，量子物质科学协同创新中心的研究者系统性地研究了退相干效应对螺旋表面态的背散射及其狄拉克点附近色散关系的影响。通过理论计算，他们发现存在退相干效应时，非磁性杂质散射也会引起螺旋表面态的背散射。进一步地，他们研究发现在退相干效应和长程非磁性杂质的共同作用下，狄拉克点附近的电子态会发生很大程度的背散射。这种背散射能导致狄拉克点附近发生显著的能带展宽效应，进而导致“奇异”能隙特征【见图2】。该项研究完善了拓扑绝缘体螺旋表面态物理性质的相关理论，并有效解决了原有理论与最新实验结果的不一致性。

这项研究工作得到国家自然科学基金和国家重点基础研究发展规划(973计划)和中国博士后科学基金等相关项目的资助。