[论文解读] Consistency of Photoemission and Quantum Oscillations for Surface States of SmB6

Jonathan D. Denlinger, Sooyoung Jang+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2016

Rare-earth and actinide compounds被引用 11

一句话总结

本论文通过证明二维表面态（通过(001)和(110)面上的ARPES测量得到）在不需引入三维体相费米面的情况下，解释了SmB6中角分辨光电子能谱（ARPES）与德哈斯-范阿尔芬（dHvA）量子振荡数据之间的矛盾。研究显示，基于ARPES测量的费米面轮廓构建的二维模型，无需自由参数即可准确拟合多个角度平面上的dHvA数据，从而否定了需要存在类似三价态的三维轨道的假设。

ABSTRACT

The mixed valent compound SmB6 is of high current interest as the first candidate example of topologically protected surface states in a strongly correlated insulator and also as a possible host for an exotic bulk many-body state that would manifest properties of both an insulator and a metal. Two different de Haas van Alphen (dHvA) experiments have each supported one of these possibilities, while angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) for the (001) surface has supported the first, but without quantitative agreement to the dHvA results. We present new ARPES data for the (110) surface and a new analysis of all published dHvA data and thereby bring ARPES and dHvA into substantial consistency around the basic narrative of two dimensional surface states.

研究动机与目标

• 解决SmB6中ARPES与dHvA量子振荡测量长期存在的不一致问题。
• 检验基于ARPES测量的二维表面态模型是否能定量解释近期研究中报道的dHvA频率角度依赖性。
• 挑战将dHvA数据解释为SmB6中存在类似三价态的三维三价态体相费米面的结论，该结论与ARPES结果及混合价态约束相矛盾。
• 提供一个仅基于ARPES获得的费米面参数、无需自由参数的参数无关二维模型，以同时解释低频与高频dHvA数据。

提出的方法

• 在SmB6的(110)面上进行了新的ARPES测量，以绘制中间能隙表面态的费米面，其kF值为(0.38, 0.28) ± 0.02 Å⁻¹ 和 (0.28, 0.22) ± 0.02 Å⁻¹，对应费米面面积分别为33 ± 4 nm⁻² 和 19 ± 3 nm⁻²。
• 利用Onsager关系，从ARPES测量的费米面轮廓计算出dHvA频率：Y点为2.0 ± 0.3 kT，X点为3.5 ± 0.4 kT。
• 将基于这些ARPES获得的费米面轨道构建的二维模型，无自由参数地叠加到Tan等（2015）的dHvA数据上，以检验其角度依赖性的一致性。
• 对Li等（2014）报道的x–z平面内dHvA频率的角度依赖性进行了重新分析，以评估二维与三维模型的拟合效果，结果强烈支持二维表面态。
• 将二维模型与Tan等提出的三维椭球模型进行了比较，结果表明二维模型无需引入大的X点椭球即可解释超过一半的dHvA数据点。
• 分析中还对从LaB6到SmB6的费米面拓扑结构转移性进行了批判性评估，强调由于价态和电子填充的不同，这种转移存在不一致之处。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmB6中ARPES测量的二维表面态费米面能否定量解释近期实验中观测到的dHvA频率角度依赖性？
• RQ2 Tan等提出的三维体相费米面模型是否与ARPES数据及SmB6的混合价态特性一致？
• RQ3 为何ARPES中观测到的显著(001)面表面态在已发表的dHvA研究中未被观测到？这一矛盾能否得到调和？
• RQ4 x–z平面中0.3–1 kT范围的低频dHvA响应是否更支持二维表面态模型而非三维体相模型？
• RQ5 基于ARPES数据的无自由参数二维模型能否解释Tan等报道的高频dHvA数据（>1 kT）？

主要发现

• 在(110)面测得的ARPES费米面呈椭圆轮廓，kF半径为(0.38, 0.28) ± 0.02 Å⁻¹，面积为33 ± 4 nm⁻²，与二维表面态一致。
• 在(110)面X点处的费米面具有kF半径(0.28, 0.22) ± 0.02 Å⁻¹，面积为19 ± 3 nm⁻²，同样与二维表面态一致。
• 利用Onsager关系计算得到的这些二维表面态的dHvA频率预测值为：Y点2.0 ± 0.3 kT，X点3.5 ± 0.4 kT，与高频dHvA数据高度吻合。
• 基于ARPES数据的二维模型在Tan等的对角平面角度依赖性dHvA数据中，无需自由参数即可解释超过一半的数据点。
• x–z平面中低频dHvA响应（0.3–1 kT）的角度依赖性强烈支持二维表面态模型，与三维体相模型相矛盾。
• 本研究否定了SmB6中存在类似三价态的三维费米面轨道的必要性，因为此类轨道与ARPES结果及混合价态d带填充特性不一致，且dHvA数据亦不支持该假设。