[논문 리뷰] Angular dependent magnetoresistance evidence for robust surface state in Kondo insulator SmB6

F. Chen, Chao Shang외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 10.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 55 T에 이르는 각도 및 온도 의존성 자기저항 측정을 통해 코니오 절연체 SmB6에서 두 차원 표면 상태의 강건성에 대한 직접적 증거를 제공한다. 5 K 이하에서 관측된 교차 행동은 다양한 결정면에서 확인되었으며, 저항 포화의 기원으로서의 위상 표면 상태를 지지한다. 이중 채널 모델을 통해 196 T의 양자역학적 비틀림 필드를 추출하였으며, 이는 위상적 코니오 절연체 시나리오를 강화한다.

ABSTRACT

Recently, the resistance saturation at low temperature in Kondo insulator SmB6, a long-standing puzzle in condensed matter physics, was proposed to originate from topological surface state. Here,we systematically studied the magnetoresistance of SmB6 at low temperature up to 55 Tesla. Both temperature- and angular-dependent magnetoresistances show a similar crossover behavior below 5 K. Furthermore, the angular-dependent magnetoresistance on different crystal face confirms a two-dimensional surface state as the origin of magnetoresistances crossover below 5K. Based on two-channels model consisting of both surface and bulk states, the field-dependence of bulk gap with critical magnetic field (Hc) of 196 T is extracted from our temperature-dependent resistance under different magnetic fields. Our results give a consistent picture to understand the low-temperature transport behavior in SmB6, consistent with topological Kondo insulator scenario.

연구 동기 및 목표

• 저온에서 코니오 절연체 SmB6의 저항 포화 현상에 대한 오랫동안 해결되지 않은 수수께끼를 밝히는 것.
• 저온에서의 전도도 거동이 배경 효과가 아닌 위상 표면 상태에서 기인하는지 확인하는 것.
• 고자기장 자기전도 측정을 통해 SmB6의 양자역학적 갭 필드 의존성을 정량화하는 것.
• 다양한 결정면에서의 각도 의존성 자기저항을 통해 표면 상태의 이중성 특성을 확인하는 것.

제안 방법

• 고자기장 전도도 거동을 탐색하기 위해 SmB6에서 55 테슬라까지 저온 자기저항 측정을 수행하였다.
• 다양한 결정학적 면에서 각도 의존성 자기저항 측정을 수행하여 표면 상태의 이방성 특성을 규명하였다.
• 변동하는 자기장 하에서 온도 의존성 저항을 분석하여 양자역학적 갭 필드의 임계 자기장(Hc)을 추출하였다.
• 표면 및 배경 전도를 조합한 이중 채널 모델을 적용하여 자기저항에 기여하는 기여도를 분리하였다.
• 5 K 이하에서 자기저항의 교차 행동을 표면 상태 지배의 징후로 사용하였다.
• 다양한 결정면 간의 각도 의존성을 비교하여 표면 상태의 이중성 특성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SmB6에서 저온에서의 저항 포화 현상은 위상 표면 상태에서 기인하는가?
• RQ2 SmB6의 양자역학적 갭 필드 의존성은 무엇이며, 그 임계 자기장(Hc)은 얼마인가?
• RQ3 자기저항의 각도 의존성이 어떻게 표면 상태의 이중성 특성을 확인하는가?
• RQ4 표면 상태와 배경 상태는 5 K 이하에서 관측된 자기저항 교차 행동에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 이중 채널 모델은 SmB6의 저온 전도도 거동을 정량적으로 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 각도 및 온도 의존성 자기저항은 5 K 이하에서 일관된 교차 행동을 나타내며, 이는 표면 상태 기여의 지배적 성격을 시사한다.
• 다양한 결정면에서의 자기저항 각도 의존성은 이중 표면 상태 존재를 확인한다.
• 표면 및 배경 상태를 조합한 이중 채널 모델은 관측된 자기저항을 성공적으로 설명하였으며, 양자역학적 갭 필드의 임계 자기장(Hc)은 196 T로 추정되었다.
• 표면 상태는 55 T까지도 강건하게 유지되어 강력한 위상적 보호를 나타낸다.
• 저온에서의 저항 포화는 일관되게 표면 상태에 의해 설명되며, 이는 위상적 코니오 절연체 시나리오를 지지한다.
• 온도 의존성 저항을 고자기장 하에서 분석하여 양자역학적 갭 필드의 정량적 의존성을 추출하였다.