Massive Dirac fermions and spin physics in an ultrathin film of topological insulator

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作者
Hai-Zhou Lu,Wen-Yu Shan,Wang Yao,Qian Niu,Shun-Qing Shen
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:81 (11) 被引量:577
标识
DOI:10.1103/physrevb.81.115407
摘要

We study transport and optical properties of the surface states, which lie in the bulk energy gap of a thin-film topological insulator. When the film thickness is comparable with the surface-state decay length into the bulk, the tunneling between the top and bottom surfaces opens an energy gap and form two degenerate massive Dirac hyperbolas. Spin-dependent physics emerges in the surface bands, which are vastly different from the bulk behavior. These include the surface spin Hall effects, spin-dependent orbital magnetic moment, and spin-dependent optical transition selection rule, which allows optical spin injection. We show a topological quantum phase transition where the Chern number of the surface bands changes when varying the thickness of the thin film.
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