[논문 리뷰] Surface electronic structure of a topological Kondo insulator candidate SmB6: insights from high-resolution ARPES

Madhab Neupane, Nasser Alidoust외 14명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 19.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고해상도, 저온 레이저 기반 ARPES를 사용하여 스마라디움 히드라이드(SmB6)의 표면 전자 구조를 직접 탐사한다. 이는 15K 이하에서 페르미 수준에서 4 meV 이내의 간극 내 금속성 표면 상태를 확인하며, 표면 브릴루앙 영역의 X 및 Γ 점 주변에 전자 유사 페르미 표면 포켓을 형성한다. 이러한 상태는 15K 이상에서 사라지며, 이는 2차원 전도도의 소멸과 관련이 있으며, 저온 잔류 전도도 비정상성에 표면 상태가 기여하고 있음을 강력히 뒷받침한다.

ABSTRACT

The Kondo insulator SmB6 has long been known to exhibit low temperature (T < 10K) transport anomaly and has recently attracted attention as a new topological insulator candidate. By combining low-temperature and high energy-momentum resolution of the laser-based ARPES technique, for the first time, we probe the surface electronic structure of the anomalous conductivity regime. We observe that the bulk bands exhibit a Kondo gap of 14 meV and identify in-gap low-lying states within a 4 meV window of the Fermi level on the (001)-surface of this material. The low-lying states are found to form electron-like Fermi surface pockets that enclose the X and the Gamma points of the surface Brillouin zone. These states disappear as temperature is raised above 15K in correspondence with the complete disappearance of the 2D conductivity channels in SmB6. While the topological nature of the in-gap metallic states cannot be ascertained without spin (spin-texture) measurements our bulk and surface measurements carried out in the transport-anomaly-temperature regime (T < 10K) are consistent with the first-principle predicted Fermi surface behavior of a topological Kondo insulator phase in this material.

연구 동기 및 목표

• SmB6에서 10K 이하에서도 지속되는 잔류 저온 전도도 문제를 해결하기 위해, 이는 배경 밴드 갭이 존재함에도 불구하고 발생한다.
• 고에너지 및 운동량 해상도를 확보하여, 전도도 비정상성 영역(T < 10K)에서 SmB6의 표면 전자 구조를 실험적으로 탐사한다.
• SmB6가 콜드 인서터의 Kondo 갭 내에서 토폴로지적으로 보호된 표면 상태를 수반한다는 이론적 제안을 검증한다.
• Kondo 갭과 간극 내 표면 상태의 온도 의존성을 규명하고, 전도도 측정과 연관지어 분석한다.
• 운동량 해상도를 갖춘 분광법을 통해 부스러기 혼합 효과와 표면 상태를 구별한다.

제안 방법

• 6K에서 고에너지-운동량 해상도를 확보하기 위해 4 meV 에너지 해상도와 <0.1° 각도 해상도를 갖춘 레이저 기반 각도 분석 광전자 방출 분광법(ARPES) 측정을 수행하였다.
• 6.994 eV 자외선 레이저 소스를 사용하여 도쿄 대학 ISSP에서 저온 ARPES 측정을 수행하여 비정상 전도도 영역에 접근하였다.
• 비교를 위해 20 meV 에너지 해상도를 갖춘 싱크로트론 기반 ARPES를 사용하여 부스러기 밴드 구조 특성을 검증하였다.
• 부스러기 밴드 구조와 4f 및 5d 밴드의 오비탈 특성을 모델링하기 위해 GGA 기반의 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 7K에서의 ARPES 데이터로부터 페르미 표면 맵을 추출하여 표면 상태의 위상 구조를 규명하고 이론 예측과 비교하였다.
• Kondo 갭과 간극 내 상태의 변화를 추적하기 위해 6K에서 30K까지 체계적인 온도 의존성 ARPES 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저온에서 SmB6의 Kondo 밴드 갭 내에 간극 내 표면 상태가 존재하는가, 그리고 이는 잔류 2차원 전도도의 원인인가?
• RQ2 전도도 비정상성 영역에서 SmB6의 운동량 해상도를 갖춘 전자 구조는 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 표면 브릴루앙 영역의 X 및 Γ 점에서 관측된 간극 내 상태는 토폴로지적 표면 상태에 기인한 것인가, 아니면 부스러기 혼합의 산물인가?
• RQ4 Kondo 갭의 정확한 값은 얼마이며, 이는 표면 전도도의 발생 및 억제와 어떻게 연관되는가?
• RQ5 실험적 페르미 표면 맵은 토폴로지적 콜드 인서터에 대한 첫 번째 원리 예측과 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 고해상도 ARPES를 통해 부스러기 밴드에서 직접적으로 14 meV의 Kondo 갭을 관측하였으며, 이는 15 meV의 갭을 예측하는 첫 번째 원리 GGA 계산과 일치한다.
• 페르미 수준에서 4 meV 이내의 간극 내 표면 상태가 확인되었으며, 이는 표면 브릴루앙 영역의 X 및 Γ 점 중심에 전자 유사 페르미 표면 포켓을 형성한다.
• 이러한 간극 내 상태는 15K 이상에서 사라지며, 이는 SmB6에서 2차원 전도도 채널의 완전한 억제와 동시에 발생하여 잔류 전도도 비정상성과의 직접적인 연관성을 시사한다.
• Γ 점에서의 상태 변화는 직접적인 d-f 혼합이 예상되지 않음에도 불구하고 온도에 따라 변화함을 보여, 이는 부스러기 기원이 아니며, 가능성이 토폴로지적 표면 상태일 수 있음을 시사한다.
• 7K에서의 페르미 표면 맵은 X점에서 큰 타원형 포켓과 Γ점에서 작은 원형 포켓을 보이며, 이는 토폴로지적 표면 상태에 대한 첫 번째 원리 계산 결과와 정성적으로 일치한다.
• 이러한 상태는 부스러기 밴드 계산에서는 관측되지 않지만 표면 상태 모델에서는 존재함을 고려할 때, 이는 부스러기 밴드가 아닌 하이브리드 표면 상태에서 기인한 것으로 지지된다.