[論文レビュー] Bulk Rotational Symmetry Breaking in Kondo Insulator SmB6

Ziji Xiang, Benjamin Lawson+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Rare-earth and actinide compounds被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、40 mK まで冷却し、最大45 Tの磁場を用いた高精度な角度分解トルク磁気測定を、ケンダル絶縁体SmB6で実施し、量子振動を調査した。振動周波数には4重回転対称性が見られるが、振幅の角度依存性には2重対称性が認められ、これは2次元フェルミ表面に一致する。この結果は、3次元バルク起源ではなく、複数の軽い有効質量の表面状態に起因する強力な証拠を示している。40 mKまでLifshitz-Kosevich理論からのずれが観測されないことは、非代替的散乱や異常な振幅増幅効果を排除し、観測された量子振動が表面状態由来であることを裏付けている。

ABSTRACT

Kondo insulator samarium hexaboride (SmB6) has been intensely studied in recent years as a potential candidate of a strongly correlated topological insulator. One of the most exciting phenomena observed in SmB6 is the clear quantum oscillations appearing in magnetic torque at a low temperature despite the insulating behavior in resistance. These quantum oscillations show multiple frequencies and varied effective masses. The origin of quantum oscillation is, however, still under debate with evidence of both two-dimensional Fermi surfaces and three-dimensional Fermi surfaces. Here, we carry out angle-resolved torque magnetometry measurements in a magnetic field up to 45 T and a temperature range down to 40 mK. With the magnetic field rotated in the (010) plane, the quantum oscillation frequency of the strongest oscillation branch shows a four-fold rotational symmetry. However, in the angular dependence of the amplitude of the same branch, this four-fold symmetry is broken and, instead, a twofold symmetry shows up, which is consistent with the prediction of a two-dimensional Lifshitz-Kosevich model. No deviation of Lifshitz-Kosevich behavior is observed down to 40 mK. Our results suggest the existence of multiple light-mass surface states in SmB6, with their mobility significantly depending on the surface disorder level.

研究の動機と目的

• SmB6における量子振動の起源を解明すること。これは、抵抗率が絶縁体であるにもかかわらず、その起源が長年にわたり議論されてきた。
• 観測されたde Haas-van Alphen (dHvA) 振動が、2次元（2D）表面状態由来か、3次元（3D）バルクフェルミ表面由来かを特定すること。
• Lifshitz-Kosevich (LK) 理論が40 mKまで有効であるかを検証し、異常な振幅増幅が見られるかを評価すること。
• 表面の不純物や複数の表面相がキャリア移動度や振動振幅に与える影響を調査すること。

提案手法

• 磁場を(010)面内で回転させ、40 mK まで冷却したフラックス成長法によるSmB6単結晶を用い、角度分解トルク磁気測定を実施した。
• 磁場の向き依存性のトルクデータを高速フーリエ変換（FFT）により処理し、量子振動周波数と振幅を抽出した。
• 振動振幅の角度依存性を2次元Lifshitz-Kosevichモデルでフィッティングし、フェルミ表面の異方性および対称性の破れを検証した。
• Dingleプロットを振動振幅の磁場依存性から作成し、散乱レートを抽出し、LK理論の妥当性を評価した。
• 45 mK から300 mK までの温度依存測定を実施し、dHvA振幅の安定性を評価し、低温での増幅効果の有無を検証した。
• 複数のサンプル（S5, S1, S2, S6）を比較分析し、表面品質や不純物が振動強度および移動度に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmB6におけるdHvA振動振幅の角度依存性は、2次元フェルミ表面に一致する回転対称性を示すか？
• RQ2 40 mK までLifshitz-Kosevich理論からずれが観測されないか、非フェルミ液体的挙動を示すか？
• RQ3 2次元対3次元フェルミ表面の性質に関する矛盾する報告を踏まえ、観測されたdHvA振動の起源は表面状態かバルク状態か？
• RQ4 表面積がほぼ同じであるにもかかわらず、異なるSmB6サンプルでdHvA振動振幅が著しく異なるのはなぜか？
• RQ5 表面の不純物や複数の表面相は、キャリア移動度および量子振動の強度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 最も強い分岐の量子振動周波数は、(010)面内で4重回転対称性を示し、対称的なフェルミ表面幾何学を示している。
• 同様の分岐の振幅の角度依存性は2重対称性を示しており、2次元フェルミ表面および2次元Lifshitz-Kosevichモデルに一致しており、3次元モデルとは一致しない。
• 40 mK までLifshitz-Kosevich理論からのずれは観測されず、非代替的散乱や異常な振幅増幅効果を排除した。
• 支配的周波数（F^β ≈ 397 T）のdHvA振幅は、45 mK から296 mK にわたりほぼ一定であり、0.2%未満の減衰にとどまり、以前の報告（低温で80%以上増加）とは矛盾する。
• S5サンプルではdHvA振幅が10^-8 A·m²を示したが、他のサンプルでは表面積がほぼ同じでも1〜2桁小さい値を示し、強い表面不純物依存性を示した。
• 支配的振動分岐の有効質量は0.14 mₑと決定され、トポロジカル表面状態に期待される軽いキャリアに一致した。