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Mapping the orbital wavefunction of the surface states in three-dimensional topological insulators

物理 波函数 拓扑绝缘体 Dirac(视频压缩格式) 量子力学 自旋轨道相互作用 自旋(空气动力学) 热力学 中微子
作者
Yue Cao,Justin Waugh,X.W. Zhang,Jun‐Wei Luo,Q. Wang,T. J. Reber,Sung‐Kwan Mo,Zhijun Xu,Alina Yang,John Schneeloch,Genda Gu,Matthew Brahlek,Namrata Bansal,Sang-Ho Oh,Alex Zunger,D. S. Dessau
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
卷期号:9 (8): 499-504 被引量:129
标识
DOI:10.1038/nphys2685
摘要

Understanding the structure of the wavefunction is essential for depicting the surface states of a topological insulator. Owing to the inherent strong spin–orbit coupling, the conventional hand-waving picture of the Dirac surface state with a single chiral spin texture is incomplete, as this ignores the orbital components of the Dirac wavefunction and their coupling to the spin textures. Here, by combining orbital-selective angle-resolved photoemission experiments and first-principles calculations, we deconvolve the in-plane and out-of-plane p-orbital components of the Dirac wavefunction. The in-plane orbital wavefunction is asymmetric relative to the Dirac point. It is predominantly tangential (radial) to the k-space constant energy surfaces above (below) the Dirac point. This orbital texture switch occurs exactly at the Dirac point, and therefore should be intrinsic to the topological physics. Our results imply that the Dirac wavefunction has a spin–orbital texture—a superposition of orbital wavefunctions coupled with the corresponding spin textures. In topological insulators, studies have largely concentrated on the spin part of the wavefunction. But the spin–orbit coupling is strong, so the orbital components of the wavefunction need to be measured as well. Surprisingly, the orbital wavefunction turns out to be asymmetric about the Dirac point.

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