[論文レビュー] Surface and electronic structure of SmB$_6$ through Scanning Tunneling Microscopy

Sarah E. Roessler, Lin Jiao+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2015

Rare-earth and actinide compounds被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、低温走査トンネル顕微鏡（STM）およびスペクトロスコピー（STS）を用いて、SmB6の原子スケールの表面構造および電子的不均一性を解明した。Sm-終端面とB-終端面が共存し、表面再構成や空間的に変化するKondo様Fano共鳴が観察された。主な発見は、電子的不均一性が、空間的に変化するSmの価数と混合強度に関連しており、それが物質のトポロジカル表面状態の背後にある要因である可能性があることである。

ABSTRACT

SmB$_6$, a so called Kondo insulator, is recently discussed as a candidate material for a strong topological insulator. We present detailed atomically resolved topographic information on the (001) surface from more than a dozen SmB$_6$ samples. Atomically flat, {\it in situ} cleaved surfaces often exhibit B- and Sm-terminated surfaces as well as reconstructed and non-reconstructed areas {\it coexisting} on different length scales. The terminations are unambiguously identified. In addition, electronic inhomogeneities are observed which likely result from the polar nature of the (001) surface and may indicate an inhomogeneous Sm valence at the surface of SmB$_6$. In addition, atomically resolved topographies on a (110) surface are discussed.

研究の動機と目的

• 本研究では、イン・スイットSTMを用いてSmB6の原子スケールの表面構造を解明し、表面終端と再構成を特定することを目的とする。
• SmB6表面に見られる電子的不均一性が、その極性(001)面とSmの中間価数に起因するものかどうかを調査することを目的とする。
• 低温でのトンネルスペクトロスコピーを用いて、Kondo様効果の存在とその空間的変動を調べることを目的とする。
• 電子的不均一性が表面終端および混合強度と相関しているかどうかを特定することを目的とする。
• 表面再構成と価数フラクチュエーションが、トポロジカル表面状態を隠蔽または調整する役割を果たすかどうかを評価することを目的とする。

提案手法

• 超高真空（UHV）下で約20 KでSmB6単結晶をイン・スイットで割り、原子的に平らな表面を露出させる。
• 117 Hzのバイアス変調を用いたロックイン技術を用い、4.6 Kおよび0.3 Kで低温STM/STS測定を実施し、表面被覆と局所状態密度（LDOS）をマッピングする。
• dI/dVスペクトルをFano共鳴モデル（式1）にフィッティングし、混合幅（Γ）と非対称性パラメータ（|q|）を抽出する。
• Γおよび|q|の空間的マップを作成し、電子的不均一性と表面構造との相関を分析する。
• 温度依存ST（6–50 K）を用いて、ゼロバイアス異常およびギャップ挙動の温度依存的変化を調査する。
• Sm終端面、B終端面、再構成面の各表面終端におけるスペクトルを比較し、終端依存の電子的効果を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmB6の(001)面および(110)面に支配的である表面終端は何か。また、それらは原子スケールでどのように共存しているか。
• RQ2 SmB6表面に見られる電子的不均一性は、表面終端および局所的混合強度とどの程度相関しているか。
• RQ3 トンネルスペクトルに観察されるFano型のラインシェイプは、Kondo様多体効果に起因するものとみなせるか。また、温度依存的変化はいかなるものか。
• RQ4 混合幅（Γ）および非対称性パラメータ（|q|）の空間的変動は、表面におけるSmの中間価数とどのように関係しているか。
• RQ5 表面の極性および再構成は、電子状態およびトポロジカル表面状態の隠蔽・調整に果たす役割は何か。

主な発見

• 原子的に解像されたSTMにより、同じ(001)SmB6表面に、Sm終端面、B終端面、および再構成面（2×1および不規則）が共存していることが確認され、終端のスケールは数nmから数μmにわたる。
• B終端面および再構成面において、dI/dVスペクトルにFano共鳴ラインシェイプが観察され、温度依存的ギャップ閉じが示されるKondo様多体効果が裏付けられた。
• 空間的マップにより、混合幅（Γ）と非対称性パラメータ（|q|）の逆相関が示され、強い混合が伝導帯へのトンネル確率の低下を示唆している。
• Fano共鳴エネルギー（E₀）は−7 meVから+1 meVの間で変動し、ピークは−3.8 meVに位置しており、フェルミエネルギーに近接し、可能なかいぎ状態を示唆している。
• SmB6の混合ギャップが15–20 meVであることが確認され、以前のARPESおよび輸送測定と整合的である。
• 温度依存STにより、温度上昇に伴いゼロバイアス付近の部分ギャップが閉じることが観察され、Kondo効果に予想される対数的温度依存性と一致した。