[論文レビュー] Consistency of Photoemission and Quantum Oscillations for Surface States of SmB6

Jonathan D. Denlinger, Sooyoung Jang+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2016

Rare-earth and actinide compounds被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、SmB6における角度分解光電子分光法（ARPES）とde Haas-van Alphen（dHvA）量子振動のデータを統合するために、(001)面および(110)面でのARPES測定により得られた2次元表面状態が、3次元バルクフェルミ面を必要とせずにdHvA周波数の大部分を説明できることを示した。研究では、ARPESで測定されたフェルミ面輪郭に基づく2次元モデルが、自由パラメータを一切用いずに複数の角度平面におけるdHvAデータに一致することを示し、特異な三価類似3次元軌道の必要性を否定した。

ABSTRACT

The mixed valent compound SmB6 is of high current interest as the first candidate example of topologically protected surface states in a strongly correlated insulator and also as a possible host for an exotic bulk many-body state that would manifest properties of both an insulator and a metal. Two different de Haas van Alphen (dHvA) experiments have each supported one of these possibilities, while angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) for the (001) surface has supported the first, but without quantitative agreement to the dHvA results. We present new ARPES data for the (110) surface and a new analysis of all published dHvA data and thereby bring ARPES and dHvA into substantial consistency around the basic narrative of two dimensional surface states.

研究の動機と目的

• SmB6におけるARPESとdHvA量子振動測定の長年の不一致を解消すること。
• ARPESから得られた2次元表面状態モデルが、最近の研究で報告されたdHvA周波数の角度依存性を定量的に説明できるかどうかを検証すること。
• Tanらが提唱した三価類似3次元バルクフェルミ面の解釈が、ARPESと混合価数状態の制約に反するため、SmB6におけるdHvAデータを3次元バルクフェルミ面の証拠として解釈する考えを疑問視すること。
• ARPESで得られたフェルミ面パラメータのみを用いて、低周波数および高周波数のdHvAデータを説明できる自由パラメータのない2次元モデルを提供すること。

提案手法

• SmB6の(110)面に対して新しいARPES測定を実施し、kF = (0.38, 0.28) ± 0.02 Å⁻¹および(0.28, 0.22) ± 0.02 Å⁻¹のインギャップ表面状態フェルミ面をマッピングした。対応するフェルミ面面積は33 ± 4 nm⁻²および19 ± 3 nm⁻²であった。
• Onsagerの関係を用いて、ARPESで測定されたフェルミ面輪郭からdHvA周波数を計算した。Y点とX点のそれぞれについて、2.0 ± 0.3 kTおよび3.5 ± 0.4 kTの周波数が得られた。
• これらのARPESで得られたフェルミ面軌道に基づく2次元モデルを、Tanら（2015年）のdHvAデータに自由パラメータなしに重ね合わせ、角度依存性の整合性を検証した。
• Liら（2014年）のx–z平面におけるdHvA周波数の角度依存性を再分析し、2次元モデルと3次元モデルの適合度を比較した。その結果、2次元表面状態のモデルが強く支持された。
• 2次元モデルとTanらが提唱した3次元楕円体モデルを比較した。その結果、2次元モデルは、大きなX点楕円体を必要とせずに、dHvAデータ点の半数以上を説明できた。
• LaB6からSmB6へのフェルミ面トポロジーの移行性についての批判的評価を含め、異なる価数状態と電子充填状態による不整合を強調した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmB6におけるARPESで測定された2次元表面状態フェルミ面は、最近の実験で観測されたdHvA周波数の角度依存性を定量的に説明できるか？
• RQ2 Tan らが提唱した3次元バルクフェルミ面モデルは、ARPESデータとSmB6の混合価数状態に整合するか？
• RQ3 ARPESで観測された顕著な(001)面表面状態が、公表されたdHvA研究には存在しないのはなぜか？この不一致を解消できるか？
• RQ4 x–z平面における低周波数dHvA応答（0.3–1 kT）は、3次元バルクモデルと比較して2次元表面状態モデルを優位に支持するか？
• RQ5 ARPESデータに基づく自由パラメータのない2次元モデルは、Tan らが報告した高周波数dHvAデータ（>1 kT）を説明できるか？

主な発見

• ARPESで測定された(110)面のフェルミ面は楕円形の輪郭を示し、kF半径は(0.38, 0.28) ± 0.02 Å⁻¹であり、2次元表面状態と整合的である。フェルミ面面積は33 ± 4 nm⁻²であった。
• X点における(110)面のフェルミ面はkF半径が(0.28, 0.22) ± 0.02 Å⁻¹であり、面積は19 ± 3 nm⁻²であり、これも2次元表面状態と整合的である。
• Onsagerの関係を用いることで、これらの2次元表面状態の予測dHvA周波数はY点で2.0 ± 0.3 kT、X点で3.5 ± 0.4 kTとなり、高周波数dHvAデータと一致した。
• 自由パラメータを一切用いずに、ARPESデータに基づく2次元モデルは、Tan らの対角平面における角度依存性のdHvA周波数データ点の半数以上を説明できた。
• x–z平面における低周波数dHvA応答（0.3–1 kT）の角度依存性は、3次元バルクモデルとは対照的に、2次元表面状態モデルを強く支持した。
• 本研究では、SmB6における三価類似3次元フェルミ面軌道の必要性を否定した。これはARPESデータや混合価数dバンド充填状態と整合せず、dHvAデータからも裏付けられていない。