[論文レビュー] Robust Surface States indicated by Magnetotransport in SmB6 Thin Films

Jie Yong, Yeping Jiang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 44被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、縦方向磁気抵抗およびホール係数測定を用いて、コスパッタリング法で作製したナノ結晶性SmB6薄膜におけるトポロジカル表面状態を調査した。低磁場領域で線形かつ正の磁気抵抗が観測され、50 K未満でホール係数の符号反転が確認された。これらは、トポロジカルKondo絶縁体の挙動と整合する、頑丈で非自明な表面状態の強力な証拠を示している。

ABSTRACT

SmB6 has been predicted and verified as a prototype of topological Kondo insulators (TKIs). Here we report longitudinal magnetoresistance and Hall coefficient measurements on co-sputtered nanocrystalline SmB6 films and try to find possible signatures of their topological properties. The magnetoresistance (MR) at 2 K is positive and linear (LPMR) at low field and becomes negative and quadratic at higher field. While the negative part is known from the reduction of the hybridization gap due to Zeeman splitting, the positive dependence is similar to what has been observed in other topological insulators (TI). We conclude that the LPMR is a characteristic feature of TI and is related to the linear dispersion near the Dirac cone. The Hall resistance shows a sign change around 50 K. It peaks and becomes nonlinear at around 10 K then decreases below 10 K. This indicates that carriers with opposite signs emerge below 50 K. Two films with different geometries (thickness and lateral dimension) show contrasting behavior below and above 50K, which proves the surface origin of the low temperature carriers in these films. The temperature dependence of magnetoresistance and the Hall data indicates that the surface states are likely non-trivial.

研究の動機と目的

• 磁気輸送測定を用いて、ナノ結晶性SmB6薄膜にトポロジカル表面状態が存在するかを調査すること。
• 観測された輸送異常が、バルク寄与ではなく表面状態に起因するものかどうかを特定すること。
• 磁気抵抗およびホール効果の温度および磁場依存性を調査し、トポロジカルな挙動の兆候を同定すること。
• 異なる幾何学的形状（厚さおよび横方向寸法）を有する薄膜を比較することで、表面由来の輸送特性を分離すること。
• 観測された低温輸送挙動が、トポロジカルKondo絶縁体における非自明な表面状態と整合することを確立すること。

提案手法

• 制御された厚さおよび横方向寸法を有するコスパッタリング法で作製したナノ結晶性SmB6薄膜の作製。
• 2 Kで、広い磁場範囲にわたる縦方向磁気抵抗（MR）測定を実施し、磁場依存の抵抗率の傾向を検出すること。
• 温度および磁場依存のホール係数データの取得を通じて、キャリアの種別および密度を調査すること。
• MR挙動の分析：低磁場領域で線形かつ正のMR（LPMR）を特定し、高磁場領域で負の2次的MRを同定すること。
• 10 K付近でのホール係数の符号反転および非線形挙動を、電子およびホールキャリアが共存することの指標として用いること。
• 異なる幾何学的形状を有する2つの薄膜の輸送データを比較することで、低温で表面状態が支配的であることを確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmB6薄膜で観測された線形かつ正の磁気抵抗は、トポロジカル表面状態の存在を示唆するか？
• RQ2 50 K付近でホール係数の符号反転が生じる原因は何か？これは表面支配の輸送に移行する兆候であるか？
• RQ3 異なる厚さおよび横方向寸法を有する薄膜における磁気抵抗およびホール応答はどのように異なるか？これは低温キャリアの起源に何を示唆するか？
• RQ4 磁気抵抗の温度依存性は、トポロジカルKondo絶縁体における非自明な表面状態と整合するか？
• RQ5 観測された輸送異常は、バルク混合効果ではなく表面状態に起因するものとみなせるか？

主な発見

• 2 Kでは、磁気抵抗が低磁場領域で線形かつ正の依存を示し、これはディラックコーン近傍の線形ディラック的分散と関連するトポロジカル絶縁体の特徴的挙動である。
• 高磁場領域では、磁気抵抗が負の2次的磁場依存に転じるが、これはゼーマン分裂がKondo混合ギャップを減少させることに起因するとされる。
• ホール係数は約50 Kで符号反転を示し、この温度未満で相反する電荷種のキャリアが出現することを示している。
• ホール抵抗は約10 Kでピークを示し、非線形性を示した後、低下する。これは低温で表面状態が支配する複雑なキャリア集団を示している。
• 異なる幾何学的形状を有する2つの薄膜では、50 K未満とそれ以上の温度で輸送挙動が著しく異なり、低温キャリアの表面起源を確認した。
• 磁気抵抗およびホールデータの温度および磁場依存性の組み合わせは、SmB6薄膜に頑丈で非自明な表面状態が存在することを強く支持している。