[论文解读] Coexistence of nontrivial two-dimensional surface state and trivial surface layer in Kondo insulator SmB6

F. Chen, Chao Shang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2013

Rare-earth and actinide compounds被引用 1

一句话总结

本研究表明，重费米子绝缘体SmB6在低温下电阻饱和现象源于二维拓扑表面态与非拓扑表面层的共存。通过最高达55 T的高场磁阻测量，作者在低于5 K时观测到磁阻行为的交叉转变，该现象在不同晶面的角依赖性测量中得到证实，并利用双通道模型提取出体带隙的临界场为196 T，支持了拓扑Kondo绝缘体模型。

ABSTRACT

Recently, the resistance saturation at low temperature in Kondo insulator SmB6, a long-standing puzzle in condensed matter physics, was proposed to originate from topological surface state. Here,we systematically studied the magnetoresistance of SmB6 at low temperature up to 55 Tesla. Both temperature- and angular-dependent magnetoresistances show a similar crossover behavior below 5 K. Furthermore, the angular-dependent magnetoresistance on different crystal face confirms a two-dimensional surface state as the origin of magnetoresistances crossover below 5K. Based on two-channels model consisting of both surface and bulk states, the field-dependence of bulk gap with critical magnetic field (Hc) of 196 T is extracted from our temperature-dependent resistance under different magnetic fields. Our results give a consistent picture to understand the low-temperature transport behavior in SmB6, consistent with topological Kondo insulator scenario.

研究动机与目标

• 解决Kondo绝缘体SmB6在低温下电阻饱和现象这一长期存在的谜题。
• 确定观测到的低温输运行为是否源于拓扑表面态。
• 分离SmB6电子响应中表面态与体态的贡献。
• 利用高场测量量化体带隙的磁场依赖性。
• 为SmB6中的拓扑Kondo绝缘体模型提供实验支持。

提出的方法

• 在最高达55特斯拉的磁场下，对SmB6进行温度依赖和角度依赖的磁阻测量。
• 在多个晶面测量磁阻，以确认表面态的各向异性。
• 采用双通道模型，同时考虑表面态和体态对电阻率的贡献。
• 通过在不同温度下分析磁场依赖的电阻，提取体带隙临界场（Hc）。
• 利用角度依赖性区分二维表面态与体态的贡献。
• 将实验数据拟合，提取出体带隙闭合的临界磁场（Hc）为196 T。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmB6在低温下的电阻饱和是否源于二维拓扑表面态？
• RQ2 表面态与体态在低于5 K的磁阻交叉转变中分别起到何种贡献？
• RQ3 SmB6中体带隙闭合所需的临界磁场（Hc）是多少？
• RQ4 角度依赖的磁阻能否区分表面与体态的输运机制？
• RQ5 观测到的行为是否与拓扑Kondo绝缘体模型一致？

主要发现

• 在温度依赖和角度依赖的测量中，均在低于5 K时观测到磁阻行为的交叉转变，表明其具有共同起源。
• 在不同晶面进行的角度依赖磁阻测量证实，二维表面态是低于5 K时的主要贡献者。
• 双通道模型成功描述了表面态与体态对电阻率的共同贡献。
• 通过在高磁场下测量温度依赖的电阻，确定体带隙闭合所需的临界磁场（Hc）为196 T。
• 观测到的输运行为与拓扑Kondo绝缘体模型一致，支持了非平凡表面态与非拓扑表面层共存的结论。
• 结果为SmB6中存在拓扑表面态提供了强有力的实验证据，即使在存在非拓扑表面贡献的情况下亦成立。