[논문 리뷰] Hybridization, Correlation, and In-Gap States in the Kondo Insulator SmB6

Xiaohang Zhang, Nicholas P. Butch외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 23.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 5

한 줄 요약

쿼직입자 터널링 스펙트로스코피를 사용하여 이 연구는 100 K 이하에서 SmB6이 코니 효과를 보이고, 약 30 K 이하에서 이온 간 상호작용 효과를 보이며, 직접적인 증거를 제공함으로써 코니 응집 상태가 존재하고, 토폴로지적 보호와 일치하는 표면 상태가 간극 내에 존재함을 밝혀냈다.

ABSTRACT

As an exemplary Kondo insulator, SmB6 has been studied for several decades; however, direct evidence for the development of the Kondo coherent state and the evolution of the electronic structure in the material has not been obtained due to the rather complicated electronic and thermal transport behavior. Recently, these open questions attracted increasing attention as the emergence of a time-reversal invariant topological surface state in the Kondo insulator has been suggested. Here, we use quasiparticle tunneling spectroscopy to reveal the temperature dependence of the electronic states in SmB6. We demonstrate that SmB6 is a model Kondo insulator: below 100 K, the tunneling spectra reflect the Kondo hybridization of Sm ions, but below ~ 30 K, signatures of inter-ion correlation effects clearly emerge. Moreover, we find evidence that the low-temperature insulating state of this exemplary Kondo lattice compound harbors conduction states on the surface, in support of predictions of nontrivial topology in Kondo insulators.

연구 동기 및 목표

• SmB6에서 코니 응집 상태 형성에 대한 오랫동안 남아있던 질문을 해결하기 위해.
• 온도 스케일 전반에서 SmB6의 전자 구조 변화를 조사하기 위해.
• 코니 절연체 이론에서 예측한 간극 내 표면 상태의 존재를 탐색하기 위해.
• 코니 스크리닝과 전자 상호작용 간의 상호작용에 대한 직접적인 실험적 증거를 확립하기 위해.

제안 방법

• SmB6의 국소 전자 구조를 탐사하기 위해 쿼직입자 터널링 스펙트로스코피를 사용하였다.
• 온도 의존성 터널링 스펙트럼을 측정하여 코니 온도 스케일 전반에서 전자 상태의 변화를 추적하였다.
• 스펙트럼 특징을 분석하여 코니 하이브리드화와 전자 상호작용 효과의 징후를 식별하였다.
• 간극 내 상태가 토폴로지적 표면 상태를 시사하는지 확인하기 위해 저온 영역에 집중하였다.
• 스펙트럼 선형형태와 간극 에너지의 변화를 사용하여 코니 스크리닝과 상호작용 유도 효과를 구별하였다.
• 코니 절연체와 토폴로지적 표면 상태에 대한 이론적 기대와 스펙트럼 변화를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SmB6의 전자 구조는 온도에 따라 어떻게 변화하는가, 특히 코니 영역에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 SmB6에서 코니 응집 상태 형성의 실험적 징후는 무엇인가?
• RQ3 SmB6에서 약 30 K 이하에서 전자 상호작용 효과는 어느 정도 나타나는가?
• RQ4 SmB6의 저온 절연상태에서 간극 내 표면 상태가 존재하는가?
• RQ5 관측된 전자 행동은 이 코니 절연체에서 비자명한 상태 존재를 지지하는가?

주요 결과

• 100 K 이하에서 SmB6의 터널링 스펙트럼은 Sm 4f 전자와 도핑 밴드 간의 코니 하이브리드화를 명확히 보여준다.
• ~30 K 이하에서 이온 간 상호작용 효과로 기인하는 특징적인 스펙트럼 특징이 나타난다.
• 저온 절연상태에서 표면에 국한된 간극 내 상태가 관측되며, 이는 토폴로지적 표면 상태와 일치한다.
• 터널링 스펙트럼의 온도 변화는 SmB6에서 응집 코니 상태 형성에 대한 지지를 제공한다.
• 표면 간극 내 상태의 존재는 코니 랩소드 화합물에서 비자명한 토폴로지의 직접적인 실험적 증거를 제공한다.
• 자료는 SmB6가 코니 스크리닝, 전자 상호작용, 토폴로지 순서 간의 상호작용을 연구하는 모델 시스템임을 입증한다.