[논문 리뷰] Robust Surface States indicated by Magnetotransport in SmB6 Thin Films

Jie Yong, Yeping Jiang외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 02.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 44인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 종래의 스퍼터링법으로 제작한 나노결정질 SmB6 투명막에서 종단 자기저항 및 홀 계수 측정을 통해 위상적 표면 상태를 조사한다. 낮은 자기장에서 선형 양의 자기저항과 50 K 이하에서 홀의 부호 변화를 관측하여, 위상적 킷슨 고립체 행동과 일치하는 강건하고 비자명한 표면 상태의 존재를 강력히 뒷받 underive 한다.

ABSTRACT

SmB6 has been predicted and verified as a prototype of topological Kondo insulators (TKIs). Here we report longitudinal magnetoresistance and Hall coefficient measurements on co-sputtered nanocrystalline SmB6 films and try to find possible signatures of their topological properties. The magnetoresistance (MR) at 2 K is positive and linear (LPMR) at low field and becomes negative and quadratic at higher field. While the negative part is known from the reduction of the hybridization gap due to Zeeman splitting, the positive dependence is similar to what has been observed in other topological insulators (TI). We conclude that the LPMR is a characteristic feature of TI and is related to the linear dispersion near the Dirac cone. The Hall resistance shows a sign change around 50 K. It peaks and becomes nonlinear at around 10 K then decreases below 10 K. This indicates that carriers with opposite signs emerge below 50 K. Two films with different geometries (thickness and lateral dimension) show contrasting behavior below and above 50K, which proves the surface origin of the low temperature carriers in these films. The temperature dependence of magnetoresistance and the Hall data indicates that the surface states are likely non-trivial.

연구 동기 및 목표

• 자기장 전도도 측정을 통해 나노결정질 SmB6 투명막에서 위상적 표면 상태의 존재를 탐색하기.
• 관측된 전도 이질현상이 부피 기여가 아니라 표면 상태에서 기인하는지 확인하기.
• 자기저항 및 홀 효과의 온도 및 자기장 의존성을 조사하여 위상적 행동의 징후를 규명하기.
• 두께 및 평면 치수의 차이가 있는 필름을 비교하여 표면 기인 전도 특징을 분리하기.
• 관측된 저온 전도 행동이 위상적 킷슨 고립체에서 비자명한 표면 상태와 일관됨을 확립하기.

제안 방법

• 제어된 두께와 평면 치수를 갖는 공스퍼터링법으로 나노결정질 SmB6 투명막 제작.
• 자기장 범위 전역에서 2 K에서 종단 자기저항(MR) 측정을 통해 자기장 의존 저항 경향 탐지.
• 온도 및 자기장에 따른 홀 계수 데이터 확보를 통해 실리콘 타입 및 농도 탐색.
• MR 행동 분석: 낮은 자기장에서 선형 양의 자기저항(LPMR)과 높은 자기장에서의 음의 제곱형 자기저항 식별.
• 약 10 K 근처에서 홀 부호 전환 및 비선형 행동을 이용해 공존하는 전자 및 정공 실리콘 타입의 존재를 지표로 사용.
• 두 가지 기하구조가 다른 필름 간의 전도 데이터 비교를 통해 저온에서 표면 상태 지배를 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SmB6 투명막에서 관측된 선형 양의 자기저항은 위상적 표면 상태의 존재를 시사하는가?
• RQ2 약 50 K에서 홀 계수의 부호 전환은 무엇을 원인으로 하고 있으며, 이는 표면 지배 전도로의 전이를 알리는가?
• RQ3 두께 및 평면 치수의 차이가 있는 필름 간에 자기저항 및 홀 반응은 어떻게 다를지, 이는 저온 실리콘 타입의 기원에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 자기저항의 온도 의존성은 위상적 킷슨 고립체에서 비자명한 표면 상태와 일치하는가?
• RQ5 관측된 전도 이질현상은 부피 혼성 효과가 아니라 표면 상태에 기인한 것인가?

주요 결과

• 2 K에서 자기저항은 낮은 자기장에서 선형 양의 의존성을 보이며, 디라크 콘 근처의 선형 디라크 유사 분산과 관련된 위상적 고립체의 특징적인 특징이다.
• 높은 자기장에서 자기저항은 음의 제곱형 자기장 의존성으로 전이되며, 이는 제만 분리에 의한 킷슨 혼성 갭 감소 때문으로 기인된다.
• 홀 계수는 약 50 K에서 부호 전환을 보이며, 이는 이 온도 이하에서 반대 전하 성질의 실리콘 타입이 나타남을 나타낸다.
• 홀 저항은 약 10 K에서 피크를 이루며 비선형성이 나타나다가 감소함을 보이며, 이는 저온에서 표면 상태가 지배하는 복잡한 실리콘 타입 인구를 시사한다.
• 기하구조가 다른 두 필름은 50 K 이상과 이하에서 대조적인 전도 행동을 보이며, 저온 실리콘 타입의 표면 기원을 확인한다.
• 자기저항 및 홀 데이터의 온도 및 자기장 의존성의 조합은 SmB6 투명막에서 강건하고 비자명한 표면 상태의 존재를 강력히 뒷받침한다.