[논문 리뷰] Universal properties of the near-gap spectra of SmB6: dynamical mean-field calculations and photoemission experiments

Chul-Hee Min, K.-S. Chen외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 19.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 83인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 SmB6의 near-gap 스펙트럼 특징이 다이나믹스 평균장 이론(DMFT)을 통한 주기적 앤더슨 모델의 계산을 통해 유일한 에너지 척도인 응집 온도 $T_{\text{coh}}$에 의해 일반적으로 지배됨을 보여준다. 이론적 스펙트럼을 $T_{\text{coh}}$로 스케일링함으로써 실험적 광전자 방출 실험과 뛰어난 정량적 일치를 이룩하였으며, 이는 이 양자 위상 고립체에서 응집된 준입자 형성이 갭 열리는 원인임을 확인한다.

ABSTRACT

Samarium hexaboride (SmB6) has been presumed to show a topological Kondo insulating state consisting of fully occupied quasiparticle bands in the concept of a Fermi liquid. This gap emerging below a small coherence temperature is the ultimate sign of coherence for a many-body system, which in addition induces a non-trivial topology. Here, we demonstrate that just one energy scale governs the gap formation in SmB6, which supports the Fermi liquid description. The temperature dependence of the gap formation in the mixed valence regime is captured within the dynamical mean field (DMFT) approximation to the periodic Anderson model (PAM). The scaling property of the model with the topological coherence temperature provides a strong connection to the photoemission spectra of SmB6. Our results suggest a simple way to compare a model study and an experiment result for heavy fermion insulators.

연구 동기 및 목표

• 스무스 B6에서 다체 모델 계산과 실험적 광전자 방출 스펙트럼 간의 정량적 연관성을 확립하기 위해.
• 스무스 B6의 혼합가치 상태 영역에서 갭 형성에 지배적인 유일한 에너지 척도를 규명하기 위해.
• 응집 온도 $T_{\text{coh}}$가 스무스 B6에서 스펙트럼 진화의 유일한 스케일링 매개변수인지를 테스트하기 위해.
• DMFT 예측을 실험적 광전자 방출 데이터와 비교하여 스무스 B6의 페르미 액체 기술이 타당한지를 검증하기 위해.
• 최소한의 모델 매개변수—특히 혼합가치와 $T_{\text{coh}}$—만으로도 실험 스펙트럼을 정량적으로 재현할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 혼합가치 상태 영역에서 주기적 앤더슨 모델(PAM)을 다이나믹스 평균장 이론(DMFT)을 사용해 해석하였다.
• 이론적 스펙트럼을 실험과 비교하기 위해 유일한 에너지 척도인 $T_{\text{coh}}$를 사용해 재스케일링 하였다.
• 실험적 에너지 해상도의 넓어짐을 고려하기 위해 가우시안 함수를 사용한 수치적 콘볼루션 절차를 적용하였다.
• 실험적 강도 척도와 일치시키기 위해 계산된 스펙트럼 밀도를 페르미 분포 함수(FDD)로 정규화하였다.
• 광전자 방출 데이터에서 $4f$ 스펙트럼 강도를 강조하기 위해 $h\nu > 40$ eV의 광자 에너지를 선택하였다.
• $E_{\text{F}}$ 근처의 $^{6}H_{5/2}$ 상태에 집중하였으며, 온도 의존성이 미미한 고에너지 $^{6}H_{7/2}$ 상태는 무시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스무스 B6에서 near-gap 스펙트럼의 온도 의존적 진화를 지배하는 유일한 보편적 에너지 척도가 존재하는가?
• RQ2 PAM의 DMFT 계산이 $T_{\text{coh}}$로 스케일링될 경우, 실험적 광전자 방출 스펙트럼을 정량적으로 재현할 수 있는가?
• RQ3 응집된 준입자 상태의 등장이 $T_{\text{coh}}$에 의해 신호가 되며, 이는 스무스 B6에서 위상 갭 열림과 동시에 발생하는가?
• RQ4 최소한의 모델 매개변수—혼합가치와 $T_{\text{coh}}$—가 스무스 B6에서 관측된 복잡한 스펙트럼 특징을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ5 이론적 스펙트럼을 $T_{\text{coh}}$로 스케일링하는 것은 하중합금 고립체에서 모델과 실험 간의 직접적이고 정량적인 비교를 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 이론적 스펙트럼을 $T_{\text{coh}}$로 스케일링한 결과, 온도에 따라 갭 열림과 $4f$ 피크 진화에서 실험적 광전자 방출 데이터와 뛰어난 정량적 일치를 보였다.
• $4f$ 피크 위치와 피크 너비, 갭 크기 등이 모두 $T_{\text{coh}}$로 스케일링되며, 이는 보편적 스케일링 행동을 확인한다.
• 20 K 이하에서 이론과 실험 모두에서 $E_{\text{F}}$에서의 스펙트럼 강도가趋포화되며, 완전한 응집과 갭 닫힘을 나타낸다.
• 응집 온도 $T_{\text{coh}} = 50$ K는 갭 형성의 핵심 척도로 확인되었으며, 다수의 실험 관측 결과와 일치한다.
• 세부적인 밴드 구조를 생략함에도 불구하고 일치가 유지됨을 통해 $T_{\text{coh}}$와 혼합가치가 보편적 스펙트럼 기술에 충분함을 시사한다.
• 결과는 스무스 B6가 페르미 액체 기술을 따르며, $T_{\text{coh}}$ 이하에서 응집된 준입자 밴드가 형성되고 이들이 위상 갭을 이끄는 것을 지지한다.