在拓扑绝缘体 Bi$_2$Se$_3$ 中对手性表面激子的观测
介观与纳米尺度物理
2019-03-07 v1 材料科学
摘要
拓扑绝缘体（TIs）边界或表面的受保护电子态一直是理论与实验研究的 intense 对象。此类态在由重元素组成的固体中由极强的自旋轨道相互作用所强制产生。此处，我们研究复合粒子——手性激子——它们由典型三维拓扑绝缘体（TI）BiSe 表面上电子与空穴间的库仑吸引形成。常规半导体中激子复合引起的光致发光（PL）发射通常因激子热化期间声子及其他自由度的散射而无偏振。相反，我们观测到来自手性激子的几乎完美保偏振的 PL 发射。我们证明手性激子可在宽激发能量范围内用圆偏振光光学取向，即便后者偏离（表观）光学带隙达数百 meV，且该取向甚至在室温下仍得以保持。基于 PL 谱对入射光子能量与偏振的依赖性，我们提出手性激子由重空穴与无质量（狄拉克）电子组成，二者均具有由强自旋轨道耦合强制产生的手性自旋纹理。基于该提议的理论模型定量描述了实验观测。复合粒子即手性激子的光学取向，作为二维电子系统中强自旋轨道耦合的一般结果而出现。我们的发现有望拓展 TIs 在光子学与光电子学中的应用。
引用
@article{arxiv.1903.01999,
title = {Observation of Chiral Surface Excitons in a Topological Insulator Bi$_2$Se$_3$},
author = {H. -H. Kung and A. P. Goyal and D. L. Maslov and X. Wang and A. Lee and A. F. Kemper and S. -W. Cheong and G. Blumberg},
journal= {arXiv preprint arXiv:1903.01999},
year = {2019}
}
备注
22 pages, 11 figures