Механизм открытия щели в точке Дирака в электронном спектре Gd-допированного топологического изолятора

Методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением проведены исследования электронной структуры в области точки Дирака для магнитно-допированного топологического изолятора Bi$_{1.09}$Gd$_{0.06}$Sb$_{0.85}$Te$_{3}$ при различных температурах (выше и ниже температуры Нееля, 1–35 K) и поляризациях синхротронного излучения. Показано наличие энергетической щели в точке Дирака, формируемой в фотоэмиссионных спектрах, которая остается открытой выше температуры дальнодействующего магнитного упорядочения, $T_{H}$. Измерения магнитных свойств методом сверхпроводящей магнитометрии показали антиферромагнитное упорядочение с температурой перехода в парамагнитную фазу, равной 8.3 K. Исследования температурной зависимости интенсивности состояний конуса Дирака методом фотоэлектронной спектроскопии подтвердили наличие магнитного перехода и показали возможность его индикции непосредственно из фотоэмиссионных спектров. Более детальный анализ величины расщепления между состояниями верхнего и нижнего конусов Дирака (т. е. величины энергетической щели) в точке Дирака в фотоэлектронных спектрах показал зависимость щели в точке Дирака от типа поляризации синхротронного излучения (28–30 meV для $p$-поляризации и 22–25 meV для циркулярно-поляризованного излучения противоположной хиральности). В работе предложен механизм открытия щели в точке Дирака выше T$_{H}$ вследствие “спаривания” дираковских фермионов с противоположным импульсом и спиновой ориентацией в результате их взаимодействия со спиновой текстурой, формируемой непосредственно в процессе фотоэмиссии в области фотоэмиссионной дырки на атоме магнитной примеси (Gd). Было показано, что щель в точке Дирака, измеряемая выше $T_{H}$ является динамической и формируется непосредственно в процессе фотоэмиссии. При этом природа щели остается магнитной (даже при отсутствии дальнодействующего магнитного упорядочения) и обусловлена свойствами магнитного топологического изолятора, что и определяет практически неизменность величины щели при переходе через $T_{H}$. Подтверждением динамического характера генерируемой щели является зависимость ее величины от поляризации синхротронного излучения.