We study the quantum magnetotransport in ultrathin topological insulator films in an external magnetic field considering hybridization between the upper and lower surfaces of the film. We investigate the two possible mechanisms for splitting of Landau levels, Zeeman and hybridization effects, and show that their interplay leads to minima in the collisional and Hall conductivities with a metal-to-insulator phase transition at the charge neutrality point. Hall plateaus arise at unusual multiples of e2/h. Evidence of a quantum phase transition for the zeroth and splitting of the higher Landau levels is found from the temperature and magnetic field dependences of the transport.

1.
C. L.
Kane
and
E. J.
Mele
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
146802
(
2005
).
2.
B. A.
Bernevig
,
T. L.
Hughes
, and
S. C.
Zhang
,
Science
314
,
1757
(
2006
).
3.
M.
König
,
S.
Wiedmann
,
C.
Brüne
,
A.
Roth
,
H.
Buhmann
,
L. W.
Molenkamp
,
X. L.
Qi
, and
S. C.
Zhang
,
Science
318
,
766
(
2007
).
4.
J. E.
Moore
and
L.
Balents
,
Phys. Rev. B
75
,
121306
(
2007
).
5.
L.
Fu
,
C. L.
Kane
, and
E. J.
Mele
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
106803
(
2007
).
6.
H.
Zhang
,
C. X.
Liu
,
X. L.
Qi
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
, and
S. C.
Zhang
,
Nat. Phys.
5
,
438
(
2009
).
7.
Y.
Xia
,
D.
Qian
,
D.
Hsieh
,
L.
Wray
,
A.
Pal
,
H.
Lin
,
A.
Bansil
,
D.
Grauer
,
Y. S.
Hor
,
R. J.
Cava
, and
M. Z.
Hasan
,
Nat. Phys.
5
,
398
(
2009
).
9.
Y.
Zhang
,
K.
He
,
C. Z.
Chang
,
C. L.
Song
,
L. L.
Wang
,
X.
Chen
,
J. F.
Jia
,
Z.
Fang
,
X.
Dai
,
W. Y.
Shan
,
S. Q.
Shen
,
Q.
Niu
,
X. L.
Qi
,
S. C.
Zhang
,
X. C.
Ma
, and
Q. K.
Xue
,
Nat. Phys.
6
,
584
(
2010
).
10.
P.
Cheng
,
C.
Song
,
T.
Zhang
,
Y.
Zhang
,
Y.
Wang
,
J. F.
Jia
,
J.
Wang
,
Y.
Wang
,
B. F.
Zhu
,
X.
Chen
,
X.
Ma
,
K.
He
,
L.
Wang
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
,
X.
Xie
,
X. L.
Qi
,
C. X.
Liu
,
S. C.
Zhang
, and
Q. K.
Xue
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
076801
(
2010
).
11.
J.
Wang
,
A. M.
DaSilva
,
C. Z.
Chang
,
K.
He
,
J. K.
Jain
,
N.
Samarth
,
X. C.
Ma
,
Q. K.
Xue
, and
M. H. W.
Chan
,
Phys. Rev. B
83
,
245438
(
2011
).
12.
H.
Cao
,
J.
Tian
,
I.
Miotkowski
,
T.
Shen
,
J.
Hu
,
S.
Qiao
, and
Y. P.
Chen
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
216803
(
2012
).
13.
C. X.
Liu
,
H.
Zhang
,
B.
Yan
,
X. L.
Qi
,
T.
Frauenheim
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
, and
S. C.
Zhang
,
Phys. Rev. B
81
,
041307
(
2010
).
14.
G.
Zhang
,
H.
Qin
,
J.
Teng
,
J.
Guo
,
Q.
Guo
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
, and
K.
Wu
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
053114
(
2009
).
15.
R.
Yu
,
W.
Zhang
,
H.-J.
Zhang
,
S.-C.
Zhang
,
X.
Dai
, and
Z.
Fang
,
Science
329
,
61
(
2010
).
16.
H. Z.
Lu
,
W. Y.
Shan
,
W.
Yao
,
Q.
Niu
, and
S. Q.
Shen
,
Phys. Rev. B
81
,
115407
(
2010
).
17.
A. A.
Zyuzin
and
A. A.
Burkov
,
Phys. Rev. B
83
,
195413
(
2011
).
18.
A. A.
Zyuzin
,
M. D.
Hook
, and
A. A.
Burkov
,
Phys. Rev. B
83
,
245428
(
2011
).
19.
H.
Li
,
L.
Sheng
, and
D. Y.
Xing
,
Phys. Rev. B
85
,
045118
(
2012
).
20.
J. G.
Analytis
,
R. D.
McDonald
,
S. C.
Riggs
,
J. H.
Chu
,
G. S.
Boebinger
, and
I. R.
Fisher
,
Nat. Phys.
6
,
960
(
2010
).
21.
M.
Charbonneau
,
K. M.
Van Vliet
, and
P.
Vasilopoulos
,
J. Math. Phys.
23
,
318
(
1982
).
22.
P.
Vasilopoulos
,
Phys. Rev. B
32
,
771
(
1985
).
23.
P. M.
Krstajic
and
P.
Vasilopoulos
,
Phys. Rev. B
83
,
075427
(
2011
), and references therein.
24.
V. P.
Gusynin
and
S. G.
Sharapov
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
146801
(
2005
).
25.
D. X.
Qu
,
Y. S.
Hor
,
J.
Xiong
,
R. J.
Cava
, and
N. P.
Ong
,
Science
329
,
821
(
2010
).
26.
A. A.
Taskin
,
S.
Sasaki
,
K.
Segawa
, and
Y.
Ando
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
066803
(
2012
).
27.
Y.
Sakamoto
,
T.
Hirahara
,
H.
Miyazaki
,
S. I.
Kimura
, and
S.
Hasegawa
,
Phys. Rev. B
81
,
165432
(
2010
).
28.
S.
Cho
,
N. P.
Butch
,
J.
Paglione
, and
M. S.
Fuhrer
,
Nano Lett.
11
,
1925
(
2011
).
29.
K.
Nakayama
,
K.
Eto
,
Y.
Tanaka
,
T.
Sato
,
S.
Souma
,
T.
Takahashi
,
K.
Segawa
, and
Y.
Ando
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
236804
(
2012
).
You do not currently have access to this content.