[論文レビュー] Hybridization, Correlation, and In-Gap States in the Kondo Insulator SmB6

Xiaohang Zhang, Nicholas P. Butch+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2012

Rare-earth and actinide compounds被引用数 5

ひとこと要約

準粒子トンネル効果分光法を用いて、本研究では100 K未満でSmB6にKondo混合が見られ、約30 K未塔でイオン間相関効果が観察されることを示した。これにより、Kondo秩序状態の直接的証明が得られ、トポロジカル保護と整合する準領域表面状態が明らかになった。

ABSTRACT

As an exemplary Kondo insulator, SmB6 has been studied for several decades; however, direct evidence for the development of the Kondo coherent state and the evolution of the electronic structure in the material has not been obtained due to the rather complicated electronic and thermal transport behavior. Recently, these open questions attracted increasing attention as the emergence of a time-reversal invariant topological surface state in the Kondo insulator has been suggested. Here, we use quasiparticle tunneling spectroscopy to reveal the temperature dependence of the electronic states in SmB6. We demonstrate that SmB6 is a model Kondo insulator: below 100 K, the tunneling spectra reflect the Kondo hybridization of Sm ions, but below ~ 30 K, signatures of inter-ion correlation effects clearly emerge. Moreover, we find evidence that the low-temperature insulating state of this exemplary Kondo lattice compound harbors conduction states on the surface, in support of predictions of nontrivial topology in Kondo insulators.

研究の動機と目的

• SmB6におけるKondo秩序状態の発達に関して長年の懸案事項を解消すること。
• SmB6の電子構造が温度スケールにわたってどのように変化するかを調査すること。
• Kondo絶縁体におけるトポロジカル理論が予測する準領域表面状態の存在を調べること。
• SmB6におけるKondoスクリーニングと電子相関の相互作用を直接実験的に証明すること。

提案手法

• SmB6の局所的電子構造を調べるために準粒子トンネル分光法を用いた。
• 温度依存のトンネル分光スペクトルを測定し、Kondo温度スケールにわたる電子状態の変化を追跡した。
• スペクトル特徴を分析して、Kondo混合および電子相関効果の兆候を特定した。
• 準領域状態が示す表面状態を検出するために低温領域に焦点を当てた。
• スペクトルの線形形状とエネルギーギャップの進化を用いて、Kondoスクリーニングと相関駆動効果を区別した。
• Kondo絶縁体およびトポロジカル表面状態の理論的期待とスペクトルの進化を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmB6の電子構造は、特にKondo領域において温度にどのように変化するか？
• RQ2 SmB6におけるKondo秩序状態の形成を示す実験的兆候は何か？
• RQ3 SmB6において約30 K未塔で電子相関効果がどの程度顕在化するか？
• RQ4 低温絶縁相におけるSmB6に準領域表面状態が存在するか？
• RQ5 観察された電子的挙動は、このKondo絶縁体にトポロジカル的に非自明な状態が存在することを支持するか？

主な発見

• 100 K未満では、SmB6のトンネル分光スペクトルにSm 4f電子と伝導帯間のKondo混合の明確な兆候が観察された。
• 約30 K未満では、イオン間相関効果に起因するとされる特徴的なスペクトル特徴が現れた。
• 低温絶縁状態では、表面に局在化した準領域状態が観察され、トポロジカル表面状態と整合的であった。
• トンネル分光スペクトルの温度依存的進化は、SmB6における秩序状態の形成を支持する。
• 表面準領域状態の存在は、Kondo格子化合物における非自明なトポロジーの直接的実験的証明を示した。
• データは、SmB6がKondoスクリーニング、電子相関、トポロジカル秩序の相互作用を研究するモデル系であることを示した。