Fractional quantum Hall Effect (FQSH) is one of most fundamental issues in condensed matter physics, and the Topological insulator becomes its prominent applications. This article reviews the general frameworks of these development and the physical properties. FQSH states and topological insulators are supposed to be topologically invariant under the minor change of geometrical shape or internal impurities. The phase transitions involved in this phenomena are known not to be explained in terms of symmetry breaking or Landau-Ginsburg theory. The new type of phase transitions related to topological invariants has acquired new name - topological phase transition. The intuitive concepts and the other area having same type of phase transitions are discussed.
Topological insulators (TIs) emerge as one of the most fascinating and amazing material in physics and electronics. TIs intrinsically possess both gapless conducting surface and insulating internal properties, instead of being only one property such as conducting, semiconducting, and insulating. The conducting surface state of TIs is the consequence of band inversion induced by strong spin-orbit coupling. Combined with broken inversion symmetry, the surface electronic band structure consists of spin helical Dirac cone, which allows spin of carriers governed by the direction of its momentum, and prohibits backscattering of the carriers. It is called by topological surface states (TSS). In this paper, we investigated the TIs materials and their unique properties and denoted the fabrication method of TIs such as deposition and exfoliation techniques. Since it is hard to observe the TSS, we introduced several specialized analysis tools such as angle-resolved photoemission spectroscopy, spin-momentum locking, and weak antilocalization. Finally, we reviewed the various fields to utilize the unique properties of TIs and summarized research trends of their applications.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2011.02a
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pp.306-306
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2011
Three dimensional(3D) topological insulators(TIs) of Bi binary alloys are characterized by a bulk energy gap with strong spin-orbit coupling and metallic surface states protected by time-reversal symmetry. It was reported that film forms of such materials were advantageous over bulk forms due to less defect density and better crystallinity. So far, the films have been prepared on several substrates including semiconductors and graphene. But, there were no studies on metal substrates. For electronic transport experiments and device applications, it is necessary to know epitaxial relation between TIs and metal electrodes. In this study, Atomically flat films of Bi2Se3 were grown on a Au(111) metal substrate by in-situ molecular beam epitaxy. Using home-built scanning tunneling microscope, we observed hexagonal atomic structures which corresponded to the outmost selenium atomic layer of Bi2Se3. Triangular-shaped defects known as Selenium vacancy were also found.
The motivation in this paper comes from the recent results about Bell inequalities and topological insulators from group theory. Symmetries which are interested in group theory could be mainly used to find material structures. In this point of views, we study group extending by adding one relator which is easily called an equation. So a relative group extension by a adding relator is aspherical if the natural injection is one-to-one and the group ring has no zero divisor. One of concepts of asphericity means that a new group by a adding relator is well extended. Also, we consider that several equations and relative presentations over torsion-free groups are related to zero divisors.
Hwang, Jin Heui;Kwon, Sangku;Park, Joonbum;Lee, Jhinhwan;Kim, Jun Sung;Lyeo, Ho-Ki;Park, Jeong Young
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.08a
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pp.128.1-128.1
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2013
We investigated the correlation between electrical transport and mechanical stress in $Bi_2Te_2Se$ by using a conductive probe atomic force microscopy in an ultra-high vacuum environment. Uniform distribution of measured friction and current were observed over a single quintuple layer terrace, which is an indication of the uniform chemical composition of the surface. By measuring the charge transport of $Bi_2Te_2Se$ surface as a function of the load applied by a tip to the sample, we found that the current density varies with applied load. The variation of current density was explained in light of the combined effect of the changes in the in-plane conductance and spin-orbit coupling that were theoretically predicted. We suppose that the local density of states is modified by tip-induced strain, but topological phase still remains. We exposed a clean topological insulator surface by tip-induced indentation. The surface conductance on the indented $Bi_2Te_2Se$ surface was studied, and the role of surface oxide on the surface conductance is discussed.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2011.08a
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pp.302-302
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2011
The binary chalcogenide semiconductor Bi2Se3 is at the center of intensive research on a new state of matter known as topological insulators. It has Dirac point in their band structures with robust surface states that are protected against external perturbations by strong spin-orbit coupling with broken inversion symmetry. Such unique band configurations were confirmed by recent angle-resolved photoelectron emission spectroscopy experiments with an unwanted n-type doping effect, showing a Fermi level shift of about 0.3 eV caused by atomic defects such as Se vacancies. Since the number of defects can be reduced using the molecular beam epitaxy (MBE) method. We have prepared the Bi2Se3 film on noble metal Au(111) and semiconductor Si(111) substrates by MBE method. To characterize the film, we have introduced several surface sensitive techniques including x-ray photoemission electron spectroscopy (XPS) and micro Raman spectroscopy. Also, crystallinity of the film has been confirmed by x-ray diffraction (XRD). Using home-built scanning tunneling microscope, we observed the atomic structure of quintuple layered Bi2Se3 film on Au(111).
Hirahara, T.;Sakamoto, Y.;Saisyu, Y.;Miyazaki, H.;Kimura, S.;Okuda, T.;Matsuda, I.;Murakami, S.;Hasegawa, S.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2010.02a
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pp.14-15
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2010
Recently there has been growing interest in topological insulators or the quantum spin Hall (QSH) phase, which are insulating materials with bulk band gaps but have metallic edge states that are formed topologically and robust against any non-magnetic impurity [1]. In a three-dimensional material, the two-dimensional surface states correspond to the edge states (topological metal) and their intriguing nature in terms of electronic and spin structures have been experimentally observed in bulk Bi1-xSbx single crystals [2,3,4]. However, if we want to know the transport properties of these topological metals, high purity samples as well as very low temperature will be needed because of the contribution from bulk states or impurity effects. In a recent report, it was also shown that an intriguing coupling between the surface and bulk states will occur [5]. A simple solution to this bothersome problem is to prepare a topological metal on an ultrathin film, in which the surface-to-bulk ratio is drastically increased. Therefore in the present study, we have investigated if there is a method to make an ultrathin Bi1-xSbx film on a semiconductor substrate. From reflection high-energy electron diffraction observation, it was found that single crystal Bi1-xSbx films (0${\sim}30\;{\AA}A$ can be prepared on Si(111)-$7{\times}7$. The transport properties of such films were characterized by in situ monolithic micro four-point probes [6]. The temperature dependence of the resistivity for the x=0.1 samples was insulating when the film thickness was $240\;{\AA}A$. However, it became metallic as the thickness was reduced down to $30\;{\AA}A$, indicating surface-state dominant electrical conduction. Figure 1 shows the Fermi surface of $40\;{\AA}A$ thick Bi0.92Sb0.08 (a) and Bi0.84Sb0.16 (b) films mapped by angle-resolved photoemission spectroscopy. The basic features of the electronic structure of these surface states were shown to be the same as those found on bulk surfaces, meaning that topological metals can be prepared at the surface of an ultrathin film. The details will be given in the presentation.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2016.02a
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pp.170.1-170.1
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2016
$Bi_2Te_3$ has long been studied for its excellent thermoelectric characteristics. Recently, this material has been known as a topological insulator (TI). The surface states within the bulk band gap of a TI, which are protected by the time reversal symmetry, contribute to the conduction at the surface, while the bulk is in insulating state. In contrast to the bulk defects tuning the chemical potential to the Dirac energy, the native defects near the surface are expected not to change the shape of the Fermi surface and the related spin structure. Using scanning tunneling microscopy (STM), we have systematically characterized surface or near surface defects in p- and n- doped $Bi_2Te_3$, and identified their structure by first principles calculations. In addition, bias-polarity dependences of STM images revealed the electron donor/acceptor nature of each defect. A detailed theoretical study of the surface states near the Dirac energy reveals the robustness of the Dirac point, which verifies the effectiveness of the disturbance on the backscattering from various kinds of defects.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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