[論文レビュー] Kondo Breakdown and Quantum Oscillations in SmB$_6$

Onur Erten, Ghaemi, Pouyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2015

Rare-earth and actinide compounds被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、SmB6における量子振動が、Kondoの破綻を経験するトポロジカルな表面状態に起因することを提案し、高周波数の振動とバルク絶縁体としての振るまいの両者を統合する。理論は、表面Kondoの抑制によって低温度における振幅上昇を説明し、X点付近での大きなフェルミ表面軌道を予測しており、2次元ディラクフェルミオンと角度依存性データと整合的である。

ABSTRACT

Recent quantum oscillation experiments on SmB$_6$ pose a paradox, for while the angular dependence of the oscillation frequencies suggest a 3D bulk Fermi surface, SmB$_6$ remains robustly insulating to very high magnetic fields. Moreover, a sudden low temperature upturn in the amplitude of the oscillations raises the possibility of quantum criticality. Here we discuss recently proposed mechanisms for this effect, contrasting bulk and surface scenarios. We argue that topological surface states permit us to reconcile the various data with bulk transport and spectroscopy measurements, interpreting the low temperature upturn in the quantum oscillation amplitudes as a result of surface Kondo breakdown and the high frequency oscillations as large topologically protected orbits around the X point. We discuss various predictions that can be used to test this theory.

研究の動機と目的

• スムーズに振動するが、等方的である角度依存性を示す低周波数と高周波数の両方の量子振動データの矛盾を解消すること。
• 非常に高い磁場下でも明確なバルク絶縁体としての振るまいを示すにもかかわらず、3次元的フェルミ表面の振るまいが量子振動で観測されるというパラドックスを解明すること。
• 低温度における振動振幅の上昇を説明し、それが量子臨界性またはKondoの破綿と関連することを明らかにすること。
• 表面電導度、ARPES、量子振動、磁熱電気輸送といった、散在する実験的結果を、一貫した表面状態に基づく枠組みで統合すること。
• 高周波数振動がバルク準粒子ではなく、X点付近のトポロジカルに保護された表面軌道に起因するという仮説を検証すること。

提案手法

• 局所fモーメントと表面状態の混合強度の変化を追跡するため、スレーブボソン平均場理論を用いて表面状態におけるKondoの破綻をモデル化する。
• Luttingerの和則を適用し、Kondoスクリーニングが抑制されるに従いフェルミ表面の変化を追跡し、より大きなフェルミ表面軌道が生じることを示す。
• 2次元表面状態を用い、$1/\cos(\phi - \phi_0)$の振るまいを仮定して、振動周波数の角度依存性をモデル化し、実験的等方的観測と一致させる。
• Liら（2014年）およびTanら（2015年）の実験データと理論的フィットを比較し、低周波数範囲で誤差範囲内での一致を示す。
• 低温におけるLifshitz-Kosevich式からのずれを、表面量子臨界性または磁気的破綻の兆候として分析する。
• 磁熱電気輸送データで観察されたように、表面Kondo効果が再発現する場合、低磁場・低温における新しい高質量振動周波数を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmB6で観測された高周波数量子振動は、バルク準粒子ではなく、トポロジカルに保護された表面軌道に起因するものと説明可能か？
• RQ2 低温度における振動振幅の上昇を説明するメカニズムは何か？ そしてそれはKondoの破綿とどのように関連するか？
• RQ3 量子振動から得られる有効質量（$m^*/m \sim 0.1-0.2$）が、ARPES（$m^*/m \sim 1$）および磁熱電気輸送（$m^*/m \sim 10-100$）から得られる値と著しく異なるのはなぜか？
• RQ4 2次元表面状態からどのようにして3次元的に見える振動周波数の角度依存性が生じるのか？
• RQ5 表面Kondoの破綿とバルク磁気的破綿、または量子臨界性を区別する実験的兆候は何か？

主な発見

• SmB6における高周波数量子振動は、バルク3次元準粒子ではなく、X点付近のトポロジカルに保護された表面状態の大きなフェルミ表面軌道に起因する。
• 低温度における振動振幅の上昇は、局所モーメントと表面状態との間の結合が解体する表面Kondoの破綿に起因し、これにより準粒子が軽くなり、フェルミ表面が拡大する。
• 理論的フィットは、2次元表面状態モデルと3次元バルクモデルの両方が低周波数範囲で実験データと良好に一致することを示しており、角度分解測定がなければ区別がつかない。
• 表面Kondo効果が抑制されるに従い、Luttingerの和則に従いフェルミ表面積が増加し、中間的な混合強度でも大きな軌道が維持される。
• 理論は、極低温で重い準粒子が再発現することを予測しており、磁熱電気輸送データがKondoスクリーニングの再発現を示しているのと整合的である。
• 低温におけるLifshitz-Kosevich式からのずれは、表面量子臨界性または磁気的破綿によって説明され、両者とも準粒子質量を増大させ、振動挙動を変化させる。