[論文レビュー] Surface electronic structure of a topological Kondo insulator candidate SmB6: insights from high-resolution ARPES

Madhab Neupane, Nasser Alidoust+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2013

Rare-earth and actinide compounds参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、高分解能・低温レーザーを用いたARPESを用いて、トポロジカルKondo絶縁体候補のSmB6の表面電子状態を直接プローブした。15K未塔の温度でフェルミ準位から4 meV以内に、ギャップ内に金属的表面状態が存在し、表面ブリユアンゾーンのXおよびΓ点の周囲に電子的フェルミ表面ポケットを形成しており、15Kを超えると消失し、2D伝導度の消失と相関する。これは、表面状態が低温残留伝導度異常の寄与要因である強力な証拠を示している。

ABSTRACT

The Kondo insulator SmB6 has long been known to exhibit low temperature (T < 10K) transport anomaly and has recently attracted attention as a new topological insulator candidate. By combining low-temperature and high energy-momentum resolution of the laser-based ARPES technique, for the first time, we probe the surface electronic structure of the anomalous conductivity regime. We observe that the bulk bands exhibit a Kondo gap of 14 meV and identify in-gap low-lying states within a 4 meV window of the Fermi level on the (001)-surface of this material. The low-lying states are found to form electron-like Fermi surface pockets that enclose the X and the Gamma points of the surface Brillouin zone. These states disappear as temperature is raised above 15K in correspondence with the complete disappearance of the 2D conductivity channels in SmB6. While the topological nature of the in-gap metallic states cannot be ascertained without spin (spin-texture) measurements our bulk and surface measurements carried out in the transport-anomaly-temperature regime (T < 10K) are consistent with the first-principle predicted Fermi surface behavior of a topological Kondo insulator phase in this material.

研究の動機と目的

• 10K未塔でバルクギャップがあるにもかかわらず、依然として残存する低温残留伝導度の長年の謎を解明すること。
• 高いエネルギーおよび運動量分解能を用いて、輸送異常領域（T < 10K）におけるSmB6の表面電子状態を実験的にプローブすること。
• SmB6がKondoギャップ内にトポロジカルに保護された表面状態を有するという理論的予測を検証すること。
• Kondoギャップおよびギャップ内表面状態の温度依存性を特定し、輸送測定と相関させること。
• 運動量分解スペクトロスコピーを用いて、バルク混合効果と表面状態を区別すること。

提案手法

• 6Kで、4 meVのエネルギー分解能および<0.1°の角度分解能を達成した、レーザーを用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を実施し、高いエネルギー・運動量分解能を実現した。
• 低温ARPES測定は、東京大学ISSPで6.994 eVの紫外レーザー光源を用いて実施され、異常伝導度領域へのアクセスを可能にした。
• 比較のため、20 meVのエネルギー分解能を持つ同期放射ARPESを用い、バルクバンド構造の特徴を検証した。
• バルクバンド構造および4fおよび5dバンドの軌道特性をモデル化するために、GGA関数を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 7KにおけるARPESデータからフェルミ表面マップを抽出し、表面状態のトポロジーを特定し、理論的予測と比較した。
• Kondoギャップおよびギャップ内状態の進化を追跡するために、6Kから30Kまでの温度依存ARPES測定を体系的に行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温でKondoバンドギャップ内にギャップ内表面状態が存在するか。また、それらは残留2D伝導度の原因であるか。
• RQ2 輸送異常領域におけるSmB6の運動量分解電子状態は、温度に応じてどのように変化するか。
• RQ3 表面ブリユアンゾーンのXおよびΓ点における観測されたギャップ内状態は、トポロジカル表面状態に起因するものか、それともバルク混合のアーティファクトか。
• RQ4 Kondoギャップの正確な値は何か。また、表面伝導の発現および抑制とどのように相関するか。
• RQ5 実験的フェルミ表面マップは、トポロジカルKondo絶縁体の第一原理予測とどの程度一致するか。

主な発見

• 高分解能ARPESにより、バルクバンドで14 meVのKondoギャップが直接観測された。これは、15 meVのギャップを予測する第一原理GGA計算と整合的であった。
• フェルミ準位から4 meVの範囲内に、ギャップ内表面状態が特定され、表面ブリユアンゾーンのXおよびΓ点を中心に電子的フェルミ表面ポケットを形成した。
• これらのギャップ内状態は15Kを超えると消失し、SmB6における2D伝導度チャネルの完全な抑制と一致した。これは、残留伝導度異常との直接的な関連を示唆している。
• Γ点における状態の温度依存的進化は、直接的なd-f混合が予想されない領域に位置するため、バルク由来ではない可能性を示唆しており、トポロジカル表面状態の可能性を示唆している。
• 7Kにおけるフェルミ表面マップは、X点に大きな楕円形のポケット、Γ点に小さな円形のポケットを示しており、トポロジカル表面状態の第一原理計算と定性的に一致した。
• バルクバンド計算ではこれらの状態が観測されず、表面状態モデルでは存在することから、それらがバルクバンドではなく、ハイブリダイズされた表面状態由来であるという証拠が得られた。