[논문 리뷰] Majorana Fermi Sea in Insulating SmB6: A proposal and a Theory of Quantum Oscillations in Kondo Insulators

G. Baskaran|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 13.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 3인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6)가 표면이 없는 스칼라 메이저라 페르미 액체 상태—전하 절연체이지만 유한한 에너지 갭을 가진 중성 상태—를 지니며, 이 상태의 집합적 양자 진동은 일관된 자기장 결합 스칼라 메이저라 페르미온 해로부터 기인한다고 제안한다. 이 이론은 콤팩트화된 2채널 코니 페르리드 격자 메커니즘을 통해 SmB6에서 관측된 양자 진동을 설명하며, 전하 중성 메이저라 페르미온조차도 랑주르 다이아자기성과 dHvA 유사 진동을 나타낼 수 있음을 드러낸다.

ABSTRACT

In an exciting development, SmB6, a Kondo insulator has been shown to exhibit bulk quantum oscillations. We propose that SmB6 is a bulk scalar Majorana Fermi Liquid} (MFL) with a finite gap for charge and spin excitations. In their study of Kondo insulators in 1993, Coleman, Miranda and Tsvelik (CMT) envisaged such a remarkable possibility, using a mean field ansatz. We generalize CMT theory to non-zero magnetic fields and show a counter intuitive result that the scalar Majorana fermi liquid, while remaining electrically insulating, responds to external magnetic field and exhibits Landau diamagnetism and quantum oscillations. Physics of an emergent compactified 2-channel Kondo lattice physics that is behind formation of the novel scalar Majorana fermi liquid phase is discussed. It is also suggested that a known resistivity saturation in SmB6 as well as a new strong deviation of quantum oscillation amplitude from Lifshitz-Kosevich formula in SmB6 at low temperatures are due to a coherent fluctuation of charge of a neutral scalar Majorana fermion. Possible presence of 2-dimensional Majorana fermion excitations in surfaces of SmB6, and other Topological Kondo Insulators (TKI) is pointed out.

연구 동기 및 목표

• 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6)에서 관측된 놀라운 부피 양자 진동을 설명하기 위해.
• 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6)의 절연 행동과 양자 진동 실험에서의 페르미 표면 유사 반응 간의 모순을 해소하기 위해.
• 전하 중성인 스칼라 메이저라 페르미 액체 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.
• 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6)에서의 진동 진폭의 비정상적 온도 의존성과 저항도 포화 현상이 전하 중성 메이저라 페르미온의 일관된 전하 변동과 연결되는 방식을 밝혀내기 위해.
• 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6) 및 기타 토폴로지적 코니 절연체가 표면 메이저라 모드와 이국적인 저에너지 진동을 지닐 수 있음을 제안하기 위해.

제안 방법

• 콜럼브, 미란다, 라스벨릭(Coleman, Miranda, Tsvelik, CMT)의 평균장 이론을 비제로인 자기장 조건으로 일반화하여 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6)에서 스칼라 메이저라 페르미 액체를 기술한다.
• 스칼라 메이저라 페르미온 해의 기원을 설명하는 동시에 스핀-1 및 전하 진동을 급격히 줄이는 콤팩트화된 2채널 코니 격자 모델을 도입한다.
• 스칼라 메이저라 페르미 액체가 전하 중성임에도 불구하고, 전하 페르미 액체와 동일한 형태로 랑주르 다이아자기성과 dHvA 양자 진동을 나타냄을 입증한다.
• 스칼라 메이저라 페르미온의 일관된 전하 변동이 저항도 포화 및 리프시츠-코세비치 공식에서의 이격을 설명하는 데 기여하는 바를 분석한다.
• 대칭성과 효과적 장 이론적 추론을 사용하여, 스칼라 메이저라 페르미온 해가 부모 코니 격자의 페르미 표면 위상수학을 유지함을 보여준다.
• 표면 및 부피 반응(예: STM에서의 Fano 선형형태, 표면 양자 진동)이 저에너지 진동의 메이저라 특성을 나타내는 서명임을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6)처럼 전하를 띠지 않는 전하 중성 페르미온의 일반적인 페르미 표면이 없는 절연체 코니 시스템에서 어떻게 양자 진동이 발생할 수 있는가?
• RQ2 전하 중성인 스칼라 메이저라 페르미 액체가 외부 자기장과 어떻게 결합하여 랑주르 다이아자기성과 양자 진동을 생성할 수 있는가?
• RQ3 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6)에서의 양자 진동 진폭이 저온에서 리프시츠-코세비치 공식에서 벗어나는 이유는 무엇이며, 이는 페르미온의 성질에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 콤팩트화된 2채널 코니 상호작용이 스칼라 메이저라 페르미 액체를 안정화시키면서 스핀 및 전하 진동을 급격히 줄이는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 STM 측정에서 관측된 저항도 포화 현상과 Fano 선형형태는 전하 중성 메이저라 페르미온의 일관된 전하 변동 때문인가?

주요 결과

• 논문은 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6)가 표면이 없는 스칼라 메이저라 페르미 액체 상을 지닌다고 제안하며, 이는 전기적으로 절연적이지만 일관된 자기 반응으로 인해 양자 진동을 지원함을 의미한다.
• 스칼라 메이저라 페르미 액체는 전하 중성임에도 불구하고, 전하 페르미 액체와 동일한 방식으로 자기장에 결합하여 랑주르 다이아자기성과 dHvA 양자 진동을 나타낸다.
• 저온에서의 양자 진동 진폭이 리프시츠-코세비치 공식에서 벗어남은 전하 중성 스칼라 메이저라 페르미온의 일관된 전하 변동 때문임이 밝혀졌다.
• 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6)의 저항도 포화 현상은 스칼라 메이저라 페르미 액체 해에서의 일관된 전하 변동의 결과로 해석되며, 초보적인 이론적 분석으로 지지된다.
• 이론적 예측이 무거운 밴드를 예측하는 데 비해 실험적으로 가벼운 효과 질량을 보이는 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6)의 표면 상태는 직접적으로 부위 스칼라 메이저라 페르미 액체 해와 연결되어 있다고 제안된다.
• 스마라디움 테르비우스 페르리드(SmB6)에서 STM로 관측된 Fano 선형형태는 저에너지 페르미온의 기저 메이저라 특성을 나타내는 서명으로 해석된다.