[論文レビュー] Hysteretic Magnetotransport in SmB6 at Low Magnetic Fields

Yun Suk Eo, Steven Wolgast+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2014

Rare-earth and actinide compounds被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、Corbinoディスク構造を用いてSmB6におけるひ滞的磁気伝導度を調査し、弱い反局在化とは整合しない、磁場スイープ速度に依存する抵抗率の低下を明らかにした。著者らは、表面に自然に形成されたサマリウム酸化物（Sm₂O₃）におけるガラス的磁気秩序が原因であると主張し、これは内在的なトポロジカル表面状態ではなく、外部からの磁性不純物によるものである。低磁場領域におけるトポロジカルな特徴が、磁性不純物によって隠蔽されている可能性を示唆している。

ABSTRACT

Utilizing Corbino disc structures, we have examined the magnetic field response of resistivity for the surface states of SmB6 on different crystalline surfaces at low temperatures. Our results reveal a hysteretic behavior whose magnitude depends on the magnetic field sweep rate and temperature. Although this feature becomes smaller when the field sweep is slower, a complete elimination or saturation is not observed in our slowest sweep-rate measurements, which is much slower than a typical magnetotransport trace. These observations cannot be explained by quantum interference corrections such as weak anti-localization. Instead, they are consistent with behaviors of glassy surface magnetic ordering, whose magnetic origin is most likely from samarium oxide (Sm2O3) forming on the surface during exposure to ambient conditions.

研究の動機と目的

• Corbinoディスク幾何学を用いてSmB6表面状態の磁場応答を調査し、体積寄与を分離して表面輸送を直接測定すること。
• 観察されたひ滞的抵抗率特徴が、弱い反局在化のような内在的トポロジカル効果に起因するか、それとも外部磁性不純物に起因するかを特定すること。
• 低温度および低磁場領域におけるSmB6の磁場スイープ速度依存抵抗率低下の起源を特定すること。
• SmB6表面における磁気秩序の影響が、トポロジカル量子デバイスへの応用に与える意味を評価すること。
• SmB6表面に自然に形成されるSm₂O₃が、トポロジカル表面状態の痕跡を隠蔽するガラス的磁気状態を形成するかどうかを評価すること。

提案手法

• SmB6の異なる結晶面にCorbinoディスク構造をプロセスし、磁場下での縦方向抵抗率を直接測定できるようにした。
• 低温度（40 mKまで）で磁場スイープ速度を変化させた磁気伝導度測定を実施し、ひ滞的挙動を調べた。
• Corbino構造の幾何学的配置によりホール効果が抑制され、縦方向導電度成分が明確に分離され、表面状態の明確な分析が可能になった。
• スイープ速度依存性を系統的に変化させ、量子干渉効果（例：弱い反局在化）と熱的に駆動されるまたはガラス的磁気ダイナミクスの違いを区別した。
• 2次元スピンガラス状態およびランダムスパイン交換相互作用の理論モデルを用いて、観測されたひ滞的特徴を解釈した。
• ARPES、dHvA、および点接触スペクトロスコピーのデータと比較分析し、輸送結果の文脈的解釈を図った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低磁場領域におけるSmB6のひ滞的抵抗率特徴は、弱い反局在化のような量子干渉効果に起因するか？
• RQ2 SmB6における磁場スイープ速度依存抵抗率低下の起源は何か？なぜ、極めて遅いスイープ速度でもその特徴が持続するのか？
• RQ3 このひ滞的挙動は、内在的トポロジカル表面状態に起因するか、それとも外部磁性不純物が支配的か？
• RQ4 SmB6の表面磁気秩序はガラス的状態と整合的か？その場合、磁気的起源はRKKY相互作用か、Sm₂O₃におけるランダムスパイン交換か？
• RQ5 SmB6表面に自然に形成されるSm₂O₃が、輸送測定におけるトポロジカル表面状態の痕跡をどれほど損なうか？

主な発見

• 異なる結晶面に加工されたCorbino構造を有するSmB6全サンプルで、磁場スイープ速度に依存するひ滞的抵抗率低下が観測され、その大きさはスイープ速度に依存した。
• 極めて遅いスイープ速度（通常の磁気伝導度測定よりもはるかに遅い）でも、ひ滞的特徴が持続したため、動的緩和効果によるものではないことが示された。
• 観測されたひ滞性は弱い反局在化とは整合せず、WALは遅いスイープ速度で消滅または飽和するはずであるが、そのような挙動は観測されなかった。
• データは、ひ滞性の磁気的起源を強く支持しており、表面に自然に形成されたサマリウム酸化物（Sm₂O₃）におけるガラス的磁気秩序が原因である可能性が最も高い。
• Sm₂O₃は、結合角や局所対称性の不均一性により、不規則でランダムスパイン交換相互作用が働く系を形成し、ガラス的挙動を示す可能性があると提案された。
• 遅いスイープ速度でもひ滞性が持続することは、単純な緩和または運動的効果では説明できないことを示し、熱力学的に準安定な磁気状態が存在することを示唆している。