[논문 리뷰] A consistent view of the samarium hexaboride terminations to resolve the nature of its surface states

Hartmut Herrmann, P. Hlawenka외 12명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 31.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 SmB6 (100) 표면에서의 상충되는 STM 및 ARPES 관측 결과를 특정 표면 형상과 관련된 고유한 결정 종단면에 연결함으로써 해결한다. 비율 의존성 있는 STM 대trast와 원소 특이적 밀도 상태를 사용하여, 재구성되지 않은 (1×1) 표면은 붕소로 종료되고, (2×1) 구조는 samarium로 종료됨을 규명함으로써 오랫동안 지속된 모순을 해결하고, Sm 4f 준위 이동을 통한 비정상적인 기원을 지지한다.

ABSTRACT

The research effort prompted by the prediction that SmB$_6$ could be the first topological Kondo insulator has produced a wealth of new results, though not all of these seem compatible. A major discrepancy exists between scanning tunneling microscopy / spectroscopy (STM/S) and angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), because the two experimental methods suggest a very different number of terminations of the (100) surface with different properties. Here we tackle this issue in a combined STM/S and ARPES study. We find that two of the well-ordered topographies reported in earlier STM studies can be associated with the crystal terminations identified using photoemission. We further observe a reversal of the STM contrast with bias voltage for one of the topographies. We ascribe this result to a different energy dependence of Sm and B-derived states, and show that it can be used to obtain element specific images of SmB$_6$ and identify which topography belongs to which termination. We finally find STS results to support a modification of the low-energy electronic structure at the surface that has been proposed as the trivial origin of surface metallicity in this material.

연구 동기 및 목표

• SmB6 (100) 표면 종단면에 대한 STM와 ARPES 결과 간 오랫동안 지속된 모순을 해결하기 위해.
• 정렬된 STM 형상과 사진방출에 의해 식별된 화학적으로 다른 결정 종단면 간의 직접적 연관성을 설정하기 위해.
• Sm 4f 준위 이동을 비정상적 메커니즘으로 테스트하여 SmB6의 표면 전도성 기원을 명확히 하기 위해.
• 표면 재구성(예: (2×1))이 순수한 종단면과 일치하는지, 복잡한 구조 모델이 필요한지 확인하기 위해.

제안 방법

• 동일한 단일 결정 SmB6 시료에서 벗겨낸 표면에서의 통합 STM 및 ARPES 실험.
• Sm 및 B 유래 상태에서의 에너지 의존성 터널링 전류를 탐색하기 위한 비율 의존성 STM 측정.
• Angle-resolved photoemission 스펙트럼 분석을 통해 Sm 4f 및 B 2p 코어 준위를 식별하고, 종단면 특이적 강도 이동을 확인.
• 다양한 형상의 국소 전자 구조를 비교하기 위해 미분 전도도(dI/dV)의 사용.
• ARPES에서의 umklapp 강도와 STM 형상 간 비교를 통해 초구조 기원 평가.
• 광전자 방출 데이터에 Fermi-Dirac 보정을 적용하여 패배 수준 근처 상태의 진화를 드러내기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 STM 형상이 B로 종료된 표면과 대응하는가, 그리고 어느 것이 Sm으로 종료된 표면과 대응하는가?
• RQ2 비율 의존성 STM 대비는 SmB6 표면의 원소 특이적 이미징을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 STM의 다수의 형상과 ARPES의 두 개의 구별된 종단면 간의 명백한 모순은 어떻게 조율될 수 있는가?
• RQ4 B로 종료된 표면에서 ARPES에서 관측된 umklapp 강도의 기원은 무엇인가?
• RQ5 SmB6에서 관측된 표면 전도성은 표면 상태의 기원이 아니라 비정상적인 Sm 4f 유사 상태의 이동에 기인하는가?

주요 결과

• 비율 증가에 따라 STM 대비의 반전 현상이 관측되며, 이는 에너지 의존성 B 2p 상태 기여에 기인하므로, 재구성되지 않은 (1×1) STM 형상은 붕소로 종료된 표면으로 할당된다.
• 비율 의존성 STM 측정에서 B 상태 기여가 없고 Sm 4f 기반 상태가 지배적이므로, (2×1) STM 형상은 Samarium로 종료된 표면으로 할당된다.
• ARPES 데이터는 화학적으로 순수한 Sm 및 B 표면 층을 가진 두 개의 구별된 종단면을 확인하여, STM 형상의 특정 종단면에 대한 할당을 지지한다.
• 다양한 형상의 미분 전도도는 서로 다른 전자 구조를 보이며, 이는 패배 수준 근처에서 Sm 4f 유사 강도의 종단면 의존적 이동을 지지한다.
• B로 종료된 표면에서 ARPES에서 관측된 umklapp 강도는 있지만 완전히 설명되지 않으며, 이는 STM에서 볼 수 없는 미세한 구조적 왜곡(예: B 삼각형의 기울임) 때문일 수 있다.
• 본 연구는 SmB6의 표면 전도성이 표면 상태의 기원이 아니라 비정상적인 Sm 4f 준위 이동을 포함하는 비정상적 메커니즘에 기인할 수 있음을 강력히 지지한다.