[论文解读] Emergence of a coherent in-gap state in SmB6 Kondo insulator revealed by scanning tunneling spectroscopy

Wei Ruan, Cun Ye+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2014

Rare-earth and actinide compounds被引用 6

一句话总结

本研究利用扫描隧道光谱学揭示了SmB6（一种Kondo绝缘体）中一种一致的体态能隙态。在低于40 K的温度下，靠近能隙下边缘的杂化能隙内出现一个尖锐的共振峰，表明该态是由自旋-轨道耦合与混合价态涨落驱动的集体磁激发，为拓扑Kondo绝缘体中的电子结构和输运异常现象提供了新见解。

ABSTRACT

We use scanning tunneling microscopy to investigate the (001) surface of cleaved SmB6 Kondo insulator. Variable temperature dI/dV spectroscopy up to 60 K reveals a gap-like density of state suppression around the Fermi level, which is due to the hybridization between the itinerant Sm 5d band and localized Sm 4f band. At temperatures below 40 K, a sharp coherence peak emerges within the hybridization gap near the lower gap edge. We propose that the in-gap resonance state is due to a collective excitation in magnetic origin with the presence of spin-orbital coupling and mixed valence fluctuations. These results shed new lights on the electronic structure evolution and transport anomaly in SmB6.

研究动机与目标

• 利用高分辨率扫描隧道显微镜研究SmB6的(001)表面电子结构。
• 理解SmB6中异常输运性质的起源，特别是其具有剩余电导率的绝缘行为。
• 探测Kondo绝缘体态下体态能隙态的出现及其温度依赖性。
• 确定体态能隙态是否源于集体磁激发或其他多体效应。

提出的方法

• 在解理的SmB6 (001)表面进行变温扫描隧道光谱学（dI/dV）测量，最高温度达60 K。
• 测量局域态密度以识别费米能级附近的类隙抑制现象。
• 分析温度依赖的谱线，检测杂化能隙内出现的尖锐共振峰。
• 利用观测到的谱学特征推断存在涉及自旋-轨道耦合与混合价态涨落的集体磁激发。
• 将实验数据与Kondo绝缘体及拓扑表面态的理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在40 K以下，SmB6中为何会出现尖锐的体态能隙态？
• RQ2 Sm 5d与4f能带之间的杂化如何影响费米能级附近的电子结构？
• RQ3 体态能隙共振态是否具有磁起源？自旋-轨道耦合与价态涨落在此过程中起什么作用？
• RQ4 体态能隙态的相干性如何随温度演化？

主要发现

• 由于Sm 5d与4f能带之间的杂化，费米能级附近出现类隙的态密度抑制。
• 在40 K以下，杂化能隙的下边缘附近出现一个尖锐的相干峰，表明存在一致的体态能隙态。
• 体态能隙共振态归因于涉及自旋-轨道耦合与混合价态涨落的集体磁激发。
• 共振峰的温度依赖性证实了其相干性，其出现有明确的起始温度低于40 K。