[논문 리뷰] Consistency of Photoemission and Quantum Oscillations for Surface States of SmB6

Jonathan D. Denlinger, Sooyoung Jang외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 27.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 SmB6에서 역방향 분광법(ARPES)과 de Haas-van Alphen (dHvA) 양자 진동 데이터를 통합하기 위해, (001) 및 (110) 표면에서 측정한 2차원 표면 상태가 3D 부피 피어미 표면이 필요 없이 dHvA 주파수의 대부분을 설명할 수 있음을 보여준다. 연구는 ARPES로 측정한 피어미 표면 윤곽을 기반으로 한 2차원 모델이 자유 매개변수 없이 여러 각도 평면에서 dHvA 데이터와 정확히 일치함을 보이며, 기괴한 3차원 삼가치 유사 궤도가 필요로 하는 것을 거부한다.

ABSTRACT

The mixed valent compound SmB6 is of high current interest as the first candidate example of topologically protected surface states in a strongly correlated insulator and also as a possible host for an exotic bulk many-body state that would manifest properties of both an insulator and a metal. Two different de Haas van Alphen (dHvA) experiments have each supported one of these possibilities, while angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) for the (001) surface has supported the first, but without quantitative agreement to the dHvA results. We present new ARPES data for the (110) surface and a new analysis of all published dHvA data and thereby bring ARPES and dHvA into substantial consistency around the basic narrative of two dimensional surface states.

연구 동기 및 목표

• SmB6에서 오랫동안 지속된 ARPES와 dHvA 양자 진동 측정 간의 불일치를 해결하기 위해.
• 최근 연구에서 보고된 dHvA 주파수의 각도 의존성에 대해 ARPES에서 유도된 2차원 표면 상태 모델이 정량적으로 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• ARPES와 혼합가치 조건에 위배되며, SmB6에서 3차원 삼가치 유사 부피 피어미 표면이 존재한다는 dHvA 데이터 해석을 도전하기 위해.
• ARPES로 유도된 피어미 표면 매개변수만을 사용하여 저주파수 및 고주파수 dHvA 데이터를 모두 설명할 수 있는 자유 매개변수 없는 2차원 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• SmB6의 (110) 표면에서 새로운 ARPES 측정을 수행하여, kF = (0.38, 0.28) ± 0.02 Å⁻¹ 및 (0.28, 0.22) ± 0.02 Å⁻¹에서 금속성 표면 상태 피어미 표면을 맵핑하였으며, 해당 표면적은 각각 33 ± 4 nm⁻² 및 19 ± 3 nm⁻²였다.
• Onsager 관계를 사용하여 ARPES로 측정한 피어미 표면 윤곽에서 dHvA 주파수를 계산하였으며, Y점과 X점에 대해 각각 2.0 ± 0.3 kT 및 3.5 ± 0.4 kT였다.
• 이러한 ARPES로 유도된 피어미 표면 궤도를 기반으로 한 2차원 모델을 Tan 등(2015)의 dHvA 데이터에 중첩하여, 각도 의존성 일치성을 검증하였으며, 자유 매개변수 없이 수행되었다.
• Li 등(2014)의 x–z 평면에서의 dHvA 주파수 각도 의존성을 재분석하여 2차원 대비 3차원 모델의 적합도를 평가하였으며, 2차원 표면 상태가 강하게 지배함을 확인하였다.
• 2차원 모델과 Tan 등이 제안한 3차원 타원형 모델을 비교하여, 2차원 모델이 큰 X점 타원형 궤도가 필요 없이 dHvA 데이터 포인트의 절반 이상을 설명할 수 있음을 보였다.
• LaB6에서 SmB6로 피어미 표면 위상도의 이행에 대한 비판적 평가를 포함하여, 다른 산화 상태와 전자 충만도로 인한 불일치를 강조하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SmB6에서 ARPES로 측정한 2차원 표면 상태 피어미 표면이 최근 실험에서 관측된 dHvA 주파수의 각도 의존성을 정량적으로 설명할 수 있는가?
• RQ2 Tan 등이 제안한 3차원 부피 피어미 표면 모델은 ARPES 데이터와 SmB6의 혼합가치 특성과 일치하는가?
• RQ3 ARPES에서 관측된 두드러진 (001) 표면 상태가 발표된 dHvA 연구에서는 보이지 않는 이유는 무엇이며, 이를 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ4 x–z 평면에서 저주파수 dHvA 반응(0.3–1 kT)이 3차원 부피 모델보다 2차원 표면 상태 모델을 지지하는가?
• RQ5 ARPES 데이터를 기반으로 한 자유 매개변수 없는 2차원 모델이 Tan 등이 보고한 고주파수 dHvA 데이터(>1 kT)를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• ARPES로 측정한 (110) 표면의 피어미 표면은 타원형 윤곽을 보이며, kF 반경이 (0.38, 0.28) ± 0.02 Å⁻¹이고 표면적은 33 ± 4 nm⁻²로, 2차원 표면 상태와 일치한다.
• X점에서의 피어미 표면은 kF 반경이 (0.28, 0.22) ± 0.02 Å⁻¹이고 표면적은 19 ± 3 nm⁻²로, 이 또한 2차원 표면 상태와 일치한다.
• Onsager 관계를 적용하여 예측한 이 2차원 표면 상태의 dHvA 주파수는 각각 Y점에서 2.0 ± 0.3 kT, X점에서 3.5 ± 0.4 kT이며, 고주파수 dHvA 데이터와 일치한다.
• ARPES 데이터를 기반으로 한 2차원 모델은 Tan 등이 보고한 대각 평면에서의 각도 의존성에 대해 자유 매개변수 없이 dHvA 주파수 데이터 포인트의 절반 이상을 설명한다.
• x–z 평면에서 저주파수 dHvA 반응(0.3–1 kT)의 각도 의존성은 3차원 부피 모델과는 정반대의 방향으로 2차원 표면 상태 모델을 강하게 지지한다.
• 이 연구는 SmB6에서 삼가치 유사 3차원 피어미 표면 궤도가 필요로 하는 것을 거부하며, 이는 ARPES와 혼합가치 d-밴드 충만도와 부합하지 않으며, dHvA 데이터로부터도 지지되지 않는다.