Surface plasmons in anisotropic 3D gapped topological insulators

凝聚态物理 拓扑绝缘体 各向异性 表面等离子体子 等离子体子 材料科学 电介质 物理 光学 光电子学
作者
Yu Zhou,M N Chen
出处
期刊:Journal of Physics: Condensed Matter [IOP Publishing]
卷期号:35 (8): 085001-085001 被引量:3
标识
DOI:10.1088/1361-648x/aca7aa
摘要

Abstract Topological insulators (TIs) are materials having conductive surfaces but insulating bulk, which are ideal platforms for plasmonic applications. The most commonly known TIs, such as Bi 2 Se 3 and Bi 2 Te 3 , are in fact highly anisotropic. The dielectric constants are largely different parallel and perpendicular to the surface. Here, we have extended the electromagnetic calculations of the surface plasmons in TIs to the anisotropic case. Magnetic field perpendicular to the surface is allowed, which opens a gap among the surface states. We model anisotropic TIs as bulk dielectric materials with different in-plane and out-of-plane permittivities; the surface states caused by the band inversion lead to a two-dimensional conductivity which supports surface plasmons. We have found two rather than one surface modes. Due to such anisotropy, quasi transverse electric (TE) polarized mode may occur near the interband transition threshold. Far below the transition frequency, another mode with both TE and transverse magnetic polarized components dominates, the dispersion relation of which is seriously modified by the Hall conductivity. By taking Bi 2 Te 3 as an example, we have derived the conductivity tensor with the consideration of the hexagonal warping effect, and solved the above mentioned two surface plasmon modes. In the end, finite element method has been used to calculate the electric field distributions. Our extension of the electromagnetic calculations of surface plasmons including a specific kind of anisotropy might be useful in other surface conductive materials with similar symmetry as well.

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