利用扫描隧道显微镜探测拓扑绝缘体 Bi$_2$Se$_3$ 薄膜中的狄拉克费米子动力学

利用扫描隧道显微镜和谱学研究了拓扑绝缘体 Bi$_2$Se$_3$ 超薄薄膜中狄拉克费米子的飞秒动力学。在二维极限下，体电子发生量子化，且该量子化可在单五原子层水平上通过薄膜厚度进行调控。通过研究台阶处驻波（准粒子干涉图样）的空间衰减，我们直接测量了拓扑表面态电子的相位弛豫长度 $l_{\phi}$ 和非弹性散射寿命 $\tau$ 对能量及薄膜厚度的依赖性。我们发现 $\tau$ 表现出显著的 $(E-E_F)^{-2}$ 能量依赖性，并随薄膜厚度增加而增大。我们表明，所揭示的特征是表面态与体态之间电子 - 电子散射的典型特征。