[論文レビュー] Coexistence of nontrivial two-dimensional surface state and trivial surface layer 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 1

ひとこと要約

本研究は、スマリウムヒ素化物（SmB6）における低温抵抗率の飽和が、2次元的トポロジカル表面状態と自明な表面層の共存に起因することを示している。55 Tに達する高磁場下での磁気抵抗測定により、5 K未満で磁気抵抗挙動の遷移が観測され、異なる結晶面における角度依存性によって裏付けられ、2チャネルモデルを用いてバルクギャップの臨界磁場を196 Tとして抽出した。これはトポロジカルKondo絶縁体の状況を支持する。

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

• Kondo絶縁体SmB6における低温での抵抗率飽和の長年の謎を解明すること。
• 観測された低温輸送挙動がトポロジカル表面状態に起因するかどうかを特定すること。
• SmB6の電子的応答における表面状態とバルク状態の寄与を分離すること。
• 高磁場測定を用いてバルクギャップの磁場依存性を定量化すること。
• SmB6におけるトポロジカルKondo絶縁体の状況を実験的に支持すること。

提案手法

• 55 Tに達する高磁場下で、温度および角度依存の磁気抵抗測定をSmB6に対して実施すること。
• 複数の結晶面での磁気抵抗測定により、表面状態の異方性を確認すること。
• 表面およびバルクの寄与を同時に考慮する2チャネルモデルを適用すること。
• 温度を変化させた状態での磁場依存抵抗を分析し、バルクギャップの臨界磁場（Hc）を抽出すること。
• 角度依存性を用いて2次元的表面状態とバルクの寄与を区別すること。
• 実験データのフィッティングにより、バルクギャップの閉じるための臨界磁場（Hc）を196 Tとして抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmB6における低温抵抗率の飽和は、2次元的トポロジカル表面状態に起因するか？
• RQ2 表面およびバルク電子状態は、5 K未満での観測された磁気抵抗の遷移にどのように寄与しているか？
• RQ3 SmB6のバルクギャップを閉じるための臨界磁場（Hc）は何か？
• RQ4 角度依存磁気抵抗は、表面およびバルク輸送メカニズムを区別できるか？
• RQ5 観測された挙動は、トポロジカルKondo絶縁体モデルと整合しているか？

主な発見

• 温度および角度依存測定の両方で、5 K未満で磁気抵抗挙動の遷移が観測され、共通の起源を示唆している。
• 異なる結晶面における角度依存磁気抵抗測定により、5 K未満で支配的寄与を示す2次元的表面状態の存在が確認された。
• 2チャネルモデルは、抵抗率における表面およびバルク寄与の組み合わせをうまく記述できた。
• 高磁場下での温度依存抵抗を用いて、バルクギャップを閉じるための臨界磁場（Hc）が196 Tであると特定された。
• 観測された輸送挙動は、トポロジカルKondo絶縁体の状況と整合しており、非自明な表面状態と自明な表面層の共存を支持する。
• 本研究の結果は、自明な表面寄与が存在する中でも、SmB6にトポロジカル表面状態が存在することを強く実験的に裏付けた。