[论文解读] Hysteretic Magnetotransport in SmB6 at Low Magnetic Fields

Yun Suk Eo, Steven Wolgast+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2014

Rare-earth and actinide compounds被引用 25

一句话总结

本研究利用科本诺圆盘结构研究了SmB6中的磁滞磁阻效应，发现电阻率的磁滞现象与弱反局域化不一致，且其行为依赖于磁场扫描速率。作者将磁滞归因于表面自然形成的三价钐氧化物（Sm₂O₃）的玻璃态磁有序，而非本征的拓扑表面态，表明外在磁性杂质在低场下掩盖了拓扑特征。

ABSTRACT

Utilizing Corbino disc structures, we have examined the magnetic field response of resistivity for the surface states of SmB6 on different crystalline surfaces at low temperatures. Our results reveal a hysteretic behavior whose magnitude depends on the magnetic field sweep rate and temperature. Although this feature becomes smaller when the field sweep is slower, a complete elimination or saturation is not observed in our slowest sweep-rate measurements, which is much slower than a typical magnetotransport trace. These observations cannot be explained by quantum interference corrections such as weak anti-localization. Instead, they are consistent with behaviors of glassy surface magnetic ordering, whose magnetic origin is most likely from samarium oxide (Sm2O3) forming on the surface during exposure to ambient conditions.

研究动机与目标

• 通过科本诺圆盘几何结构研究SmB6表面态的磁场响应，以分离表面输运与体相贡献。
• 确定观测到的磁滞电阻率特征是否源于本征的拓扑效应（如弱反局域化）或外在磁性杂质。
• 确定低温度和低磁场下SmB6中磁场扫描速率依赖的电阻率谷值的起源。
• 评估表面磁有序对SmB6在拓扑量子器件中潜在应用的影响。
• 评估SmB6表面自然形成的Sm₂O₃是否导致玻璃态磁性，从而掩盖拓扑表面态的信号。

提出的方法

• 在SmB6的不同结晶表面上制备了科本诺圆盘结构，以实现磁场下纵向电阻率的直接测量。
• 在低温（低至40 mK）下进行磁阻测量，通过改变磁场扫描速率以探测磁滞行为。
• 科本诺结构的几何设计抑制了霍尔效应，分离出纵向电导分量，从而实现对表面态的清晰分析。
• 系统性地改变磁场扫描速率，以区分量子干扰效应（如弱反局域化）与热激活或玻璃态磁动力学。
• 利用二维自旋玻璃态和随机交换作用的理论模型来解释观测到的磁滞特征。
• 通过与角分辨光电子能谱（ARPES）、德哈斯-范阿尔芬效应（dHvA）及点接触谱学数据的对比分析，为输运结果提供背景支持。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低磁场下，SmB6中观测到的磁滞电阻率特征是否源于弱反局域化等量子干扰效应？
• RQ2 SmB6中磁场扫描速率依赖的电阻率谷值的起源是什么？为何即使在极慢扫描速率下仍持续存在？
• RQ3 该磁滞行为能否由本征的拓扑表面态解释，还是主要受外在表面磁性杂质主导？
• RQ4 SmB6中的表面磁有序是否与玻璃态一致？若是，其可能的磁起源是RKKY相互作用还是Sm₂O₃中的随机交换作用？
• RQ5 自然形成的Sm₂O₃在SmB6表面在多大程度上干扰了输运测量中拓扑表面态信号的观测？

主要发现

• 在所有不同结晶面的科本诺结构SmB6样品中均观测到磁滞电阻率谷值，其大小依赖于磁场扫描速率。
• 即使在最慢的扫描速率下（远慢于典型磁阻测量），磁滞特征依然存在，表明其并非由动力学弛豫效应引起。
• 观测到的磁滞与弱反局域化不一致，因为若为弱反局域化，其效应应在慢扫描速率下消失或趋于饱和，而实验中未观察到此现象。
• 数据强烈支持磁滞具有磁性起源，最可能源于表面自然形成的三价钐氧化物（Sm₂O₃）的玻璃态磁有序。
• 提出Sm₂O₃可能形成一种无序、随机交换耦合的系统，由于键角和局域对称性的变化，表现出潜在的玻璃态行为。
• 磁滞在极慢扫描速率下仍持续存在，排除了简单弛豫或动力学效应，表明其源于热力学亚稳态磁性相。