[PDF]    http://dx.doi.org/10.3952/physics.v57i1.3450

Open access article / Atviros prieigos straipsnis

Lith. J. Phys. 57, 1–11 (2017)


TWO-SCALE THEORY OF EDGE STATE
Algirdas Matulis
Semiconductor Physics Institute, Center for Physical Sciences and Technology, Saulėtekio 3, LT-10222 Vilnius, Lithuania
E-mail: algirdas.matulis@ftmc.lt

Received 4 September 2016; revised 6 October 2016; accepted 21 December 2016

The edge state is considered in the spectrum region where its branch splits from the bottom of a continuous conduction band. It is shown that in this region the electron wave function demonstrates two different scale behaviours: slow and fast, that enabled us to construct some simplified procedure for the analysis of the edge state. The slow wave function part obeys a simple Schrödinger equation the parameters of which are insensitive to the peculiarities of the electron dynamics, while the fast part that describes the details of electron behaviour in the primitive cell reveals itself only at the edge. The equation for this fast part was transformed into the boundary condition for the slow part equation. The proposed method is illustrated considering the simplest continuous model for a topological insulator and a tight binding model for graphene.
Keywords: continuous model, tight binding model, splitting point, fast-slow wave function parts
PACS: 3.65.Ge, 73.20.-r, 73.22.-f, 73.22.Pr

DVISKALĖ KRAŠTINĖS BŪSENOS TEORIJA

Algirdas Matulis
Fizinių ir technologijų mokslų centro Puslaidininkių fizikos institutas, Vilnius, Lietuva

Išnagrinėta kraštinė būsena spektro srityje, kur jos energijos šaka atskyla nuo tolydinės laidumo juostos. Parodyta, kad šioje srityje elektrono banginė funkcija demonstruoja charakteringą dviejų skirtingų mastelių elgesį: greitą ir lėtą kitimą koordinatei tolstant nuo krašto. Tai įgalino sukonstruoti tam tikrą paprastą kraštinės būsenos analizės procedūrą panaudojant mažą parametrą – energijos nuokrypio nuo jos įsiliejimo į tolydinę juostą taško ir draustinės juostos energijos santykį. Lėto banginės funkcijos kitimo srityje ji tenkina paprastą Šrėdingerio lygtį, kurios parametrai nejautrūs detaliai elektrono dinamikai primityviajame narvelyje. Ta detali dinamika pasireiškia tik greitojo funkcijos kitimo srityje, kuri sukoncentruota prie paties krašto. Lygtį šioje greitojo kitimo srityje pasisekė transformuoti į kraštinę sąlygą lėtojo funkcijos kitimo lygčiai, taip suformuluojant dviskalę kraštinės būsenos teoriją. Metodas iliustruotas jį pritaikant papraščiausiam tolydiniam topologinio izoliatoriaus modeliui ir stipraus ryšio grafeno modeliui, kuriame įskaityti sukinio-orbitos sąveika ir elektrono tuneliavimas į tolesnius kaimyninius mazgus.

References / Nuorodos

[1] M.Z. Hasan and C.L. Kane, Colloquium: Topological insulators, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010),
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.3045
[2] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, and A.A. Firsov, Electric field effect in atomically thin carbon films, Science 306, 666 (2004),
https://doi.org/10.1126/science.1102896
[3] C.L. Kane and E.J. Mele, Quantum spin Hall effect in graphene, Phys. Rev. Lett. 95, 226801 (2005),
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.226801
[4] M.V. Berry, Quantal phase factors accompanying adiabatic changes, Proc. R. Soc. Lond. A 392, 45 (1984),
https://doi.org/10.1098/rspa.1984.0023
[5] J.E. Avron, D. Osadchy, and R. Seiler, A topological look at the quantum Hall effect, Physics Today 56, 38 (2003),
https://doi.org/10.1063/1.1611351
[6] D. Xiao, M. Chang, and Q. Niu, Berry phase effects on electronic properties, Rev. Mod. Phys. 82, 1959 (2010),
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.1959
[7] D.J. Thouless, M. Kohmoto, M.P. Nightingale, and M. den Nijs, Quantized Hall conductance in a two-dimensional periodic potential, Phys. Rev. Lett. 49, 405 (1982),
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.49.405
[8] X.G. Wen, Topological orders and edge excitations in fractional quantum Hall states, Adv. Phys. 44, 405 (1995),
https://doi.org/10.1080/00018739500101566
[9] K. Wakabayashi, K.-I. Sasaki, T. Nakanishi, and T. Enoki, Electronic states of graphene nanoribbons and analytical solutions, Sci. Technol. 11, 054504 (2010),
https://doi.org/10.1088/1468-6996/11/5/054504
[10] S. Mao, Y. Kuramoto, K.-I. Imura, and A. Yamakage, Analytic theory of edge modes in topological insulators, J. Phys. Soc. Jpn. 79, 124709 (2010),
https://doi.org/10.1143/JPSJ.79.124709
[11] V. Gurarie, Single-particle Green's functions and interacting topological insulators, Phys. Rev. B 83, 085426 (2011),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.085426
[12] E.B. Sonin, Edge accumulation and currents of moment in 2D topological insulators, Phys. Rev. B 82, 113307 (2010),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.113307
[13] B.A. Bernevig, T.L. Hughes, and S.C. Zhang, Quantum spin Hall effect and transition in HgTe wells, Science 314, 1757 (2006),
https://doi.org/10.1126/science.1133734
[14] S.V. Morozov, K.S. Novoselov, M.I. Katsnelson, F. Schedin, L.A. Ponomorenko, D. Jiang, and A.K. Geim, Strong suppression of weak localization in graphene, Phys. Rev. Lett. 97, 016801 (2006),
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.016801
[15] H. Min, J.E. Hill, N.A. Sinitsyn, B.R. Sahu, L. Kleiman, and A.H. MacDonald, Intrinsic and Rashba spin-orbit interactions in graphene sheets, Phys. Rev. B 74, 165310 (2006),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.165310
[16] Y. Yao, F. Ye, X.-L. Qi, S.-C. Zhang, and Z. Fang, Spin-orbit gap of graphene: First-principles calculations, Phys. Rev. B 75, 041401 (2007),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.041401