[論文レビュー] A consistent view of the samarium hexaboride terminations to resolve the nature of its surface states

Hartmut Herrmann, P. Hlawenka+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2018

Rare-earth and actinide compounds被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、特定の表面被覆構造と異なる結晶端末との関連を付けることで、SmB6 (100) 表面におけるSTMとARPESの相反する観察結果を解消する。バイアス依存性STMコントラストおよび元素特異的密度状態を用い、再結合しない (1×1) 表面がボロン終末であり、(2×1) 構造がサマリウム終末であることを特定した。これにより長年の矛盾が解消され、Sm 4f準位のシフトによって表面導電性が生じる非代替的起源を支持する。

ABSTRACT

The research effort prompted by the prediction that SmB$_6$ could be the first topological Kondo insulator has produced a wealth of new results, though not all of these seem compatible. A major discrepancy exists between scanning tunneling microscopy / spectroscopy (STM/S) and angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), because the two experimental methods suggest a very different number of terminations of the (100) surface with different properties. Here we tackle this issue in a combined STM/S and ARPES study. We find that two of the well-ordered topographies reported in earlier STM studies can be associated with the crystal terminations identified using photoemission. We further observe a reversal of the STM contrast with bias voltage for one of the topographies. We ascribe this result to a different energy dependence of Sm and B-derived states, and show that it can be used to obtain element specific images of SmB$_6$ and identify which topography belongs to which termination. We finally find STS results to support a modification of the low-energy electronic structure at the surface that has been proposed as the trivial origin of surface metallicity in this material.

研究の動機と目的

• SmB6 (100) 表面端末に関するSTMとARPESの結果に長年の矛盾が生じる理由を解消すること。
• 整然としたSTM表面被覆構造と、光電子分光法によって特定された化学的に異なる結晶端末との直接的な関連を確立すること。
• Sm 4f準位のシフトが非代替的メカニズムとして表面導電性の起源を特定する仮説を検証すること。
• 表面再構成（例：(2×1)）が純粋な端末に一致するのか、それとも複雑な構造的モデルを必要とするのかを特定すること。

提案手法

• 同一の単結晶SmB6試料から切り出した表面を用いた、組み合わせたSTMおよびARPES実験。
• SmおよびB由来の状態からのエネルギー依存性トンネル電流を調べるためのバイアス依存性STM測定。
• 角度分解光電子分光スペクトルの解析により、Sm 4fおよびB 2pコア準位を特定し、端末に特有の強度シフトを同定。
• 異なる被覆構造の局所的電子構造を比較するための微分伝導度（dI/dV）の使用。
• ARPESにおけるUmklapp強度とSTM被覆構造の比較により、スーパーパターンの起源を評価。
• 光電子分光データにフェルミ・ディラック補正を適用し、フェルミ準位付近での状態の進化を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのSTM被覆構造がB終末表面に対応し、どの構造がSm終末表面に対応するか？
• RQ2 バイアス依存性STMコントラストは、SmB6表面の要素特異的イメージングをどのように可能にするか？
• RQ3 STMが複数の被覆構造を示す一方でARPESが2つの明確な端末を示すという、表面的な矛盾をどのように解消できるか？
• RQ4 B終末表面においてARPESで観察されたUmklapp強度の起源は何か？
• RQ5 SmB6で観察された表面導電性は、トポロジカル表面状態ではなく、非代替的メカニズム（Sm 4f様状態のシフト）に起因するのか？

主な発見

• バイアス電圧の増加に伴うSTMコントラストの逆転が、エネルギー依存性B 2p状態寄与によるものであるため、再結合しない (1×1) STM被覆構造はボロン終末表面に割り当てられる。
• (2×1) STM被覆構造は、B状態寄与がなく、トンネル効果においてSm 4f由来状態が支配的であることに一致するため、サマリウム終末表面に割り当てられる。
• ARPESデータは、化学的に純粋なSmおよびB表面層を有する2つの明確な端末を確認しており、STM被覆構造が特定の端末に対応しているという割り当てを支持する。
• (1×1)および(2×1)被覆構造の微分伝導度は、フェルミ準位付近におけるSm 4f様強度の端末依存性シフトを示す、明確に異なる電子構造を示しており、これにより支持される。
• B終末表面におけるARPESのUmklapp強度は観察されたが、完全には説明されない。これは、STMでは見えない微細な構造的歪み（例：Bペントヘドロンのねじれ）に起因する可能性がある。
• 本研究は、SmB6における表面金属性が、トポロジカル表面状態ではなく、Sm 4f準位のシフトによる非代替的メカニズムに起因する可能性が強いという強力な証拠を提供する。