[论文解读] Bulk Rotational Symmetry Breaking in Kondo Insulator SmB6

Ziji Xiang, Benjamin Lawson+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Rare-earth and actinide compounds被引用 12

一句话总结

本研究采用高达45 T的磁场和低至40 mK的温度下的高精度角分辨扭矩磁测量，研究重费米子绝缘体SmB6中的量子振荡。结果揭示了振荡频率具有四重旋转对称性，但振幅的角依赖性呈现两重对称性，与二维费米面一致，为多个轻质量表面对态而非三维体相起源提供了有力证据。在40 mK下未观察到偏离Lifshitz-Kosevich模型的迹象，排除了非常规散射或振幅增强效应，进一步证实了所观测量子振荡的表面对态本质。

ABSTRACT

Kondo insulator samarium hexaboride (SmB6) has been intensely studied in recent years as a potential candidate of a strongly correlated topological insulator. One of the most exciting phenomena observed in SmB6 is the clear quantum oscillations appearing in magnetic torque at a low temperature despite the insulating behavior in resistance. These quantum oscillations show multiple frequencies and varied effective masses. The origin of quantum oscillation is, however, still under debate with evidence of both two-dimensional Fermi surfaces and three-dimensional Fermi surfaces. Here, we carry out angle-resolved torque magnetometry measurements in a magnetic field up to 45 T and a temperature range down to 40 mK. With the magnetic field rotated in the (010) plane, the quantum oscillation frequency of the strongest oscillation branch shows a four-fold rotational symmetry. However, in the angular dependence of the amplitude of the same branch, this four-fold symmetry is broken and, instead, a twofold symmetry shows up, which is consistent with the prediction of a two-dimensional Lifshitz-Kosevich model. No deviation of Lifshitz-Kosevich behavior is observed down to 40 mK. Our results suggest the existence of multiple light-mass surface states in SmB6, with their mobility significantly depending on the surface disorder level.

研究动机与目标

• 为解决SmB6中量子振荡起源的长期争议，尽管该材料具有绝缘电阻率。
• 确定观测到的德哈斯-范阿尔芬（dHvA）振荡是否源自二维（2D）表面对态或三维（3D）体相费米面。
• 测试Lifshitz-Kosevich（LK）理论在40 mK下的适用性，并评估是否存在异常振幅增强现象。
• 研究表面无序和多种表面对相态对载流子迁移率和振荡振幅的影响。

提出的方法

• 在磁通生长的SmB6单晶上进行角分辨扭矩磁测量，磁场在(010)平面内旋转，温度低至40 mK，磁场最高达45 T。
• 通过磁扭矩数据的快速傅里叶变换（FFT）提取振荡频率和振幅随磁场取向的变化关系。
• 利用二维Lifshitz-Kosevich模型拟合振荡振幅的角依赖性，以检验费米面各向异性和对称性破缺。
• 从振荡振幅随磁场的依赖关系构建Dingle图，以提取散射率并评估LK模型的有效性。
• 在45 mK至300 mK范围内进行温度依赖性测量，以检查dHvA振幅的稳定性并测试低温增强效应。
• 通过对比多个样品（S5、S1、S2、S6）评估表面质量与无序对振荡强度和迁移率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmB6中dHvA振荡振幅的角依赖性是否表现出与二维费米面一致的旋转对称性？
• RQ2 观测到的dHvA振荡在40 mK下是否仍符合Lifshitz-Kosevich理论，或是否出现偏离以指示非费米液体行为？
• RQ3 鉴于关于2D与3D费米面特征的相互矛盾报告，观测到的dHvA振荡的起源是表面对态还是体相态？
• RQ4 为何不同SmB6样品尽管表面积相似，却表现出截然不同的振荡振幅？
• RQ5 表面无序或多相表面对态如何影响载流子迁移率和量子振荡的强度？

主要发现

• 最强分支的量子振荡频率在(010)平面内表现出四重旋转对称性，表明费米面几何形状具有对称性。
• 同一分支的振幅角依赖性呈现两重对称性，与二维费米面及二维Lifshitz-Kosevich模型一致，而非三维模型。
• 在40 mK以下未观察到偏离Lifshitz-Kosevich模型的迹象，排除了非常规散射或异常振幅增强的可能性。
• 主导频率（F^β ≈ 397 T）的dHvA振幅从45 mK到296 mK几乎保持不变，衰减小于0.2%，与先前报道的低温下超过80%的增幅相矛盾。
• 样品S5的dHvA振幅为10^-8 A·m²，而其他样品的振幅小一到两个数量级，尽管表面积相似，表明振幅对表面无序高度敏感。
• 主导振荡分支的有效质量被确定为0.14 mₑ，与拓扑表面对态预期的轻质量载流子一致。