[論文レビュー] Robust Surface Hall Effect and Nonlocal Transport in SmB6: Indication for an Ideal Topological Insulator

Dong-Seok Kim, S. M. Thomas+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用数 139

ひとこと要約

本研究では、高品質なSmB6結晶において、厚さに依存しない頑健な表面ホール効果および非局所輸送を示した。これは、真に絶縁性の高いバルクとトポロジカルに保護された金属的表面を示している。結果は、SmB6がトポロジカル絶縁体として理想であるという強力な証拠を提供する。表面状態は低温において機械的および不純物由来の摂動に対して強く、安定している。

ABSTRACT

A topological insulator (TI) is an unusual quantum state in which the insulating bulk is topologically distinct from vacuum, resulting in a unique metallic surface that is robust against time-reversal invariant perturbations. These surface transport properties, however, remains difficult to be isolated from the bulk in existing TI crystals (Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3) due to impurity caused bulk conduction. We report in large crystals of topological Kondo insulator (TKI) candidate material SmB6 the thickness-independent surface Hall effects and non- local transport, which are robust against perturbations including mechanical abrasion. These results serve as proof that at low temperatures SmB6 has a robust metallic surface that surrounds a truly insulating bulk, paving the way for transport studies of the surface state in this proposed TKI material. ([e-mail]).

研究の動機と目的

• SmB6の表面電子状態を分離・特徴づけること。SmB6はトポロジカルKondo絶縁体の候補である。
• SmB6の表面状態がバルク伝導および不規則性に対して真正に頑健であるかどうかを特定すること。
• SmB6がトポロジカル絶縁体の特徴的な輸送シグネチャーを示すかどうかを調査すること。
• SmB6の表面状態がトポロジカル的に保護されており、試料の厚さに依存しないことの確立。

提案手法

• バルク伝導を最小限に抑えるために、大規模で高品質なSmB6単結晶の作製および測定。
• 磁場および温度の関数としてホール抵抗を測定し、表面輸送を調べること。
• 表面に沿ったバルク輸送を検出する非局所輸送測定を用い、一貫性のある表面状態を示すこと。
• 表面損傷に対する表面輸送の頑健性をテストするために、試料を機械的に摩耗すること。
• 試料の厚さに伴うホール抵抗のスケーリングを比較し、表面優位性を確認すること。
• 低温輸送測定（4 K未満）を実施し、トポロジカル表面状態領域にアクセスすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmB6は、試料の厚さに依存しない表面ホール効果を示すか。これは表面優位の輸送メカニズムを示唆する。
• RQ2 SmB6で非局所輸送シグナルが観測可能か。これは表面電子のバルク輸送を示唆する。
• RQ3 SmB6の表面輸送は、機械的摩耗およびバルク不純物に対して頑健か。
• RQ4 観測された輸送行動は、真に絶縁性の高いバルクとトポロジカルに保護された表面状態を示唆するか。

主な発見

• SmB6の表面ホール効果は頑健で、試料の厚さに依存せず、輸送がバルク伝導ではなく表面状態に支配されていることを示している。
• SmB6で非局所電圧シグナルが観測され、表面に沿ったバルク輸送の証拠が得られ、トポロジカル表面状態の特徴的シグネチャーである。
• 機械的摩耗後も表面輸送特性に変化がなく、表面損傷および不規則性に対して耐性があることが示された。
• 結果から、SmB6のバルクは低温において真に絶縁的であり、バルクキャリアによる寄与は測定不能であると示唆された。
• 観測された輸送行動は、トポロジカル的に保護された表面状態を有する理想のトポロジカル絶縁体としてのSmB6を強く支持する。