[論文レビュー] Majorana Fermi Sea in Insulating SmB6: A proposal and a Theory of Quantum Oscillations in Kondo Insulators

G. Baskaran|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2015

Rare-earth and actinide compounds参考文献 3被引用数 39

ひとこと要約

本稿は、SmB6が、電荷絶縁体でありながら有限なエネルギーギャップを持つ中性の電荷をもたない状態として、集団的な量子振動を示すスカラーマヨラナフェルミ液体を有すると提案する。この集団的量子振動は、一様で磁場に結合するスカラーマヨラナフェルミオンの海から生じる。理論は、コンpactified 2チャネル Kondo格子機構を用いて、絶縁体としてのSmB6における観測された量子振動を説明し、中性のマヨラナフェルミオンでもLandauの反磁性およびdHvAに類似した振動を示しうることを示している。

ABSTRACT

In an exciting development, SmB6, a Kondo insulator has been shown to exhibit bulk quantum oscillations. We propose that SmB6 is a bulk scalar Majorana Fermi Liquid} (MFL) with a finite gap for charge and spin excitations. In their study of Kondo insulators in 1993, Coleman, Miranda and Tsvelik (CMT) envisaged such a remarkable possibility, using a mean field ansatz. We generalize CMT theory to non-zero magnetic fields and show a counter intuitive result that the scalar Majorana fermi liquid, while remaining electrically insulating, responds to external magnetic field and exhibits Landau diamagnetism and quantum oscillations. Physics of an emergent compactified 2-channel Kondo lattice physics that is behind formation of the novel scalar Majorana fermi liquid phase is discussed. It is also suggested that a known resistivity saturation in SmB6 as well as a new strong deviation of quantum oscillation amplitude from Lifshitz-Kosevich formula in SmB6 at low temperatures are due to a coherent fluctuation of charge of a neutral scalar Majorana fermion. Possible presence of 2-dimensional Majorana fermion excitations in surfaces of SmB6, and other Topological Kondo Insulators (TKI) is pointed out.

研究の動機と目的

• SmB6というKondo化合物が絶縁体であるにもかかわらず、バルクの量子振動が観測されたという予期せぬ現象を説明すること。
• 量子振動実験におけるフェルミ表面に類似した応答が、SmB6の絶縁的挙動とどのように調和できるかを解明すること。
• 電荷中性のスカラーマヨラナフェルミ液体が磁場に応答し続ける理論的枠組みを提供すること。
• SmB6における振動振幅の異常な温度依存性および抵抗率の飽和現象を、中性マヨラナフェルミオンのコherentな電荷フラクチュエーションに結びつけること。
• SmB6および他のトポロジカルKondo絶縁体が表面マヨラナモードおよび特異な低エネルギー励起状態を有する可能性を示唆すること。

提案手法

• Coleman, Miranda, Tsvelik (CMT) の平均場理論を、ゼロでない磁場に対しても一般化し、SmB6におけるスカラーマヨラナフェルミ液体を記述する。
• コンパクト化された2チャネルKondo格子モデルを導入し、スカラーマヨラナフェルミオンの海の出現を説明するとともに、スピン1および電荷励起状態をギャップ化することを可能にする。
• スカラーマヨラナフェルミ液体は電荷中性であるが、電荷フェルミ液体と同一の形でLandauの反磁性およびdHvA量子振動を示すことを示している。
• コherentな電荷フラクチュエーションの役割を分析し、抵抗率の飽和およびLifshitz-Kosevich式からの逸脱を説明する。
• 対称性および有効場理論の議論を用いて、スカラーマヨラナフェルミオンの海が、元のKondo格子のフェルミ表面トポロジーを保存することを示している。
• 表面およびバルク応答（例：STMにおけるFano線形形状、表面量子振動）が、低エネルギー励起状態のマヨラナ性の兆候であると提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷をもたない準粒子のフェルミ表面を持たない絶縁体Kondo系SmB6で、どのようにして量子振動が生じ得るのか？
• RQ2 電荷中性でスカラーマヨラナフェルミ液体が外部磁場にどのように結合し、Landauの反磁性および量子振動を生じさせ得るのか？
• RQ3 SmB6における量子振動の振幅が低温でLifshitz-Kosevich式から逸脱するのはなぜか？ これは準粒子の性質に何を示唆するか？
• RQ4 コンパクト化された2チャネルKondo相互作用が、スカラーマヨラナフェルミ液体を安定化させると同時に、スピンおよび電荷励起状態をギャップ化するメカニズムは何か？
• RQ5 STM測定で観測された抵抗率の飽和およびFano線形形状は、中性マヨラナフェルミオンのコherentな電荷フラクチュエーションに起因すると考えられるか？

主な発見

• 本稿は、SmB6がバルクのスカラーマヨラナフェルミ液体相を有すると提案する。これは電気的に絶縁的であるが、一様な磁場応答のおかげで量子振動を支持する。
• スカラーマヨラナフェルミ液体は、電荷中性であるにもかかわらず、電荷フェルミ液体と同一の方法で磁場に結合し、Landauの反磁性およびdHvA量子振動を示す。
• 低温における量子振動振幅のLifshitz-Kosevich式からの逸脱は、中性スカラーマヨラナフェルミオンのコherentな電荷フラクチュエーションに起因するとされる。
• SmB6における抵抗率の飽和は、スカラーマヨラナフェルミ海におけるコherentな電荷フラクチュエーションの結果であると説明され、予備的な理論的分析によって支持されている。
• 理論的予測では重いバンドを示すにもかかわらず、実験で軽い有効質量が観測されるSmB6の表面状態は、バルクのスカラーマヨラナフェルミ海と直接的に関連していると提唱される。
• SmB6におけるSTMで観測されたFano線形形状は、低エネルギー準粒子の背後にあるマヨラナ性の兆候であると解釈される。