[論文レビュー] Angular dependent magnetoresistance evidence for robust surface state in Kondo insulator SmB6

F. Chen, Chao Shang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2013

Rare-earth and actinide compounds被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、55 Tに達するまでの角度および温度依存磁気抵抗測定を通じて、Kondo絶縁体SmB6における頑健な二次元表面状態の直接的証拠を提供する。5 K未満の観察されたクロスオーバー行動は、異なる結晶面で確認されており、抵抗の飽和の原因としてトポロジカルな表面状態を支持する。2チャネルモデルを用いて抽出されたバルクギャップの臨界磁場は196 Tであり、トポロジカルKondo絶縁体の状況を強化する。

ABSTRACT

Recently, the resistance saturation at low temperature in Kondo insulator SmB6, a long-standing puzzle in condensed matter physics, was proposed to originate from topological surface state. Here,we systematically studied the magnetoresistance of SmB6 at low temperature up to 55 Tesla. Both temperature- and angular-dependent magnetoresistances show a similar crossover behavior below 5 K. Furthermore, the angular-dependent magnetoresistance on different crystal face confirms a two-dimensional surface state as the origin of magnetoresistances crossover below 5K. Based on two-channels model consisting of both surface and bulk states, the field-dependence of bulk gap with critical magnetic field (Hc) of 196 T is extracted from our temperature-dependent resistance under different magnetic fields. Our results give a consistent picture to understand the low-temperature transport behavior in SmB6, consistent with topological Kondo insulator scenario.

研究の動機と目的

• 低温度におけるKondo絶縁体SmB6の抵抗飽和という長年の謎を解明すること。
• 低温度の輸送行動がバルク効果ではなく、トポロジカルな表面状態に起因するかどうかを特定すること。
• 高場磁気輸送測定を用いてSmB6のバルクギャップの場磁場依存性を定量化すること。
• 異なる結晶面における角度依存磁気抵抗を用いて表面状態の二次元的性質を確認すること。

提案手法

• 高場輸送特性を調べるため、55 Tに達するまでの低温度磁気抵抗測定をSmB6で実施した。
• 表面状態の異方性を特定するため、複数の結晶学的面における角度依存磁気抵抗を測定した。
• 変動する磁場下での温度依存抵抗を分析し、バルクギャップの臨界磁場（Hc）を抽出した。
• 表面およびバルク伝導を組み合わせた2チャネルモデルを適用し、磁気抵抗に及ぼす寄与を分離した。
• 5 K未満で磁気抵抗に観察されるクロスオーバー行動を、表面状態の支配的寄与のサインとして用いた。
• 異なる結晶面における角度依存性を比較し、表面状態の二次元的性質を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmB6の低温度における抵抗飽和は、トポロジカルな表面状態に起因するか？
• RQ2 SmB6のバルクギャップの場磁場依存性は何か？その臨界磁場（Hc）は何か？
• RQ3 磁気抵抗の角度依存性は、表面状態の二次元的性質をどのように確認するか？
• RQ4 表面状態とバルク状態は、5 K未満の観察された磁気抵抗クロスオーバーにどの程度寄与しているか？
• RQ5 2チャネルモデルは、SmB6の低温度輸送行動を定量的に説明できるか？

主な発見

• 角度および温度依存磁気抵抗は、5 K未満で一貫したクロスオーバー行動を示し、表面状態の支配的寄与を示している。
• 異なる結晶面における磁気抵抗の角度依存性は、二次元的表面状態の存在を確認している。
• 表面状態とバルク状態を組み合わせた2チャネルモデルは、観察された磁気抵抗を効果的に説明でき、バルクギャップの臨界磁場（Hc）は196 Tであった。
• 表面状態は55 Tまで頑健に保たれ、強いトポロジカル保護を示している。
• 低温度における抵抗飽和は一貫して表面状態によって説明され、トポロジカルKondo絶縁体の状況を支持する。
• 温度依存抵抗の高場下での依存性から、バルクギャップの場磁場依存性が定量的に抽出された。