[論文レビュー] Universal properties of the near-gap spectra of SmB6: dynamical mean-field calculations and photoemission experiments

Chul-Hee Min, K.-S. Chen+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2015

Rare-earth and actinide compounds参考文献 83被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、周期的アンダーソン模型の動的平均場理論（DMFT）計算を通じて、SmB6の準位近傍スペクトル特徴が、普遍的なエネルギースケール—自己エネルギー温度 $T_{\text{coh}}$—によって支配されることを示している。理論的スペクトルを $T_{\text{coh}}$ でスケーリングすることで、光電子分光実験と優れた定量的整合性が得られ、このトポロジカル・キオンド・インスレーターにおいて、コherentな準粒子状態の形成がギャップの開く原因であることが確認された。

ABSTRACT

Samarium hexaboride (SmB6) has been presumed to show a topological Kondo insulating state consisting of fully occupied quasiparticle bands in the concept of a Fermi liquid. This gap emerging below a small coherence temperature is the ultimate sign of coherence for a many-body system, which in addition induces a non-trivial topology. Here, we demonstrate that just one energy scale governs the gap formation in SmB6, which supports the Fermi liquid description. The temperature dependence of the gap formation in the mixed valence regime is captured within the dynamical mean field (DMFT) approximation to the periodic Anderson model (PAM). The scaling property of the model with the topological coherence temperature provides a strong connection to the photoemission spectra of SmB6. Our results suggest a simple way to compare a model study and an experiment result for heavy fermion insulators.

研究の動機と目的

• 多体モデル計算とSmB6の実験的光電子分光スペクトルとの間の定量的関係を確立すること。
• SmB6の混合価数状態領域におけるギャップ形成を支配する普遍的なエネルギースケールを特定すること。
• 自己エネルギー温度 $T_{\text{coh}}$ がSmB6におけるスペクトル進化の唯一のスケーリングパラメータであるかどうかを検証すること。
• DMFTの予測と実験的光電子分光データの比較を通じて、SmB6のフェルミ液体記述を検証すること。
• 最小限のモデルパラメータ—特に混合価数と $T_{\text{coh}}$ —が、実験的スペクトルを定量的に再現できることを示すこと。

提案手法

• 混合価数状態領域における周期的アンダーソン模型（PAM）を解くために、動的平均場理論（DMFT）を用いた。
• 理論的スペクトル関数を実験と比較するため、1つのエネルギースケール $T_{\text{coh}}$ で再スケーリングした。
• 実験的エネルギー分解能の広がりを考慮するために、ガウス関数を用いた数値的畳み込み手順を適用した。
• 実験の強度スケールに一致させるために、計算されたスペクトル密度をフェルミ分布関数（FDD）で正規化した。
• 光電子分光データにおける $4f$ 頻度の寄与を強調するために、光子エネルギー $h\nu > 40$ eV を選択した。
• $E_{\text{F}}$ に近い $^{6}H_{5/2}$ 态に注目し、温度依存性が小さいため $^{6}H_{7/2}$ を無視した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SmB6の準位近傍スペクトルの温度依存的進化を支配する普遍的なエネルギースケールが存在するか？
• RQ2 PAMのDMFT計算が $T_{\text{coh}}$ でスケーリングされた場合、実験的光電子分光スペクトルを定量的に再現できるか？
• RQ3 自己エネルギー温度 $T_{\text{coh}}$ が示すように、コherentな準粒子状態の出現が、SmB6におけるトポロジカルギャップの開く時期と一致するか？
• RQ4 最小限のモデルパラメータ—混合価数と $T_{\text{coh}}$ —が、SmB6で観測される複雑なスペクトル特徴をどの程度まで説明できるか？
• RQ5 理論的スペクトルを $T_{\text{coh}}$ でスケーリングすることで、重いフェルミオン絶縁体におけるモデルと実験の直接的・定量的比較がどのように可能になるか？

主な発見

• 理論的スペクトルを $T_{\text{coh}}$ でスケーリングした結果、特にギャップの開く過程と $4f$ ピークの進化において、実験的光電子分光データと優れた定量的整合性を示した。
• $4f$ ピークの位置と線幅、およびギャップサイズがすべて $T_{\text{coh}}$ にスケーリングされ、普遍的スケーリング行動が確認された。
• 20 K未満では、理論的・実験的両方で $E_{\text{F}}$ におけるスペクトル重みが飽和し、完全なコherencyとギャップ閉じが示された。
• ギャップ形成の主要スケールとして $T_{\text{coh}} = 50$ K が特定され、多数の実験的観測と整合的であった。
• 詳細なバンド構造を無視しても一致が保たれるため、$T_{\text{coh}}$ と混合価数が、普遍的なスペクトル記述に十分であることが示された。
• 結果は、SmB6がフェルミ液体的記述に従うことを支持しており、$T_{\text{coh}}$ よりも低い温度でコherentな準粒子バンドが出現し、トポロジカルギャップを駆動することが示された。