[논문 리뷰] Coexistence of nontrivial two-dimensional surface state and trivial surface layer in Kondo insulator SmB6

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

Rare-earth and actinide compounds인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 콜드 인산염 SmB6에서 저온에서의 저항 포화 현상이 두 가지 표면 상태인 2차원 토폴로지 표면 상태와 비틀림 표면층이 공존하기 때문임을 밝힌다. 최대 55 T의 고자기장에서의 자기저항 측정을 통해 5 K 이하에서 자기저항 거동의 전이가 관찰되었으며, 다양한 결정면에서의 각도 의존성으로 확인되었고, 이는 이중 채널 모델을 통해 196 T의 부스터 갭 임계 자기장이 도출되었으며, 이는 토폴로지적 콜드 인산염 시나리오를 지지한다.

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 Kondo 인산염 SmB6의 저항 포화 현상에 대한 오랫동안 해결되지 않은 수수께끼를 풀기 위해.
• 관측된 저온에서의 전도도 거동이 토폴로지 표면 상태에서 기인하는지 여부를 규명하기 위해.
• SmB6의 전자적 반응에서 표면 상태와 부스터 상태의 기여를 분리하기 위해.
• 고자기장 측정을 통해 부스터 갭의 자기장 의존성을 정량화하기 위해.
• SmB6에서의 토폴로지적 콜드 인산염 시나리오에 대한 실험적 근거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 최대 55 테슬라까지의 온도 및 각도 의존성 자기저항 측정을 수행하였다.
• 다양한 결정면에서 자기저항 측정을 통해 표면 상태의 비대칭성을 확인하였다.
• 표면 및 부스터 기여를 모두 고려한 이중 채널 모델을 적용하였다.
• 온도를 변화시키면서 자기장 의존성 저항을 분석하여 부스터 갭 임계 자기장(Hc)을 추출하였다.
• 각도 의존성을 통해 2차원 표면 상태와 부스터 기여를 구별하였다.
• 실험 데이터를 피팅하여 부스터 갭 폐쇄에 필요한 임계 자기장(Hc) 196 T를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SmB6에서 저온에서의 저항 포화 현상은 2차원 토폴로지 표면 상태에서 기인하는가?
• RQ2 표면 및 부스터 전자 상태는 5 K 이하에서 관측된 자기저항 전이에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 SmB6에서 부스터 갭을 닫는 데 필요한 임계 자기장(Hc)은 얼마인가?
• RQ4 각도 의존성 자기저항은 표면 및 부스터 전도 메커니즘을 구별할 수 있는가?
• RQ5 관측된 거동은 토폴로지적 콜드 인산염 모델과 일치하는가?

주요 결과

• 온도 및 각도 의존성 측정에서 모두 5 K 이하에서 자기저항 거동의 전이가 관찰되어 공통된 기원을 시사한다.
• 다른 결정면에서의 각도 의존성 자기저항 측정을 통해 5 K 이하에서 2차원 표면 상태가 주요 기여자임을 확인하였다.
• 이중 채널 모델은 표면 및 부스터 기여를 모두 포함하는 저항의 조합을 성공적으로 기술하였다.
• 고자기장에서 온도 의존성 저항 분석을 통해 부스터 갭을 닫는 데 필요한 임계 자기장(Hc)이 196 T로 결정되었다.
• 관측된 전도 거동은 토폴로지적 콜드 인산염 시나리오와 일치하며, 비틀림 표면 상태와 비틀림 표면층의 공존을 지지한다.
• 결과는 비틀림 표면 기여가 존재하는 상황에서도 SmB6에 토폴로지 표면 상태가 존재한다는 강력한 실험적 증거를 제공한다.