[论文解读] Kondo Breakdown and Quantum Oscillations in SmB$_6$

Onur Erten, Ghaemi, Pouyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2015

Rare-earth and actinide compounds被引用 5

一句话总结

该论文提出，SmB6中的量子振荡源于拓扑表面态经历Kondo屏蔽的破坏，从而调和了高频率振荡与体相绝缘行为之间的矛盾。该理论通过表面Kondo屏蔽的抑制解释了低温振幅上升现象，并预测在X点附近存在较大的费米面轨道，与二维狄拉克费米子及角度依赖性数据一致。

ABSTRACT

Recent quantum oscillation experiments on SmB$_6$ pose a paradox, for while the angular dependence of the oscillation frequencies suggest a 3D bulk Fermi surface, SmB$_6$ remains robustly insulating to very high magnetic fields. Moreover, a sudden low temperature upturn in the amplitude of the oscillations raises the possibility of quantum criticality. Here we discuss recently proposed mechanisms for this effect, contrasting bulk and surface scenarios. We argue that topological surface states permit us to reconcile the various data with bulk transport and spectroscopy measurements, interpreting the low temperature upturn in the quantum oscillation amplitudes as a result of surface Kondo breakdown and the high frequency oscillations as large topologically protected orbits around the X point. We discuss various predictions that can be used to test this theory.

研究动机与目标

• 调和SmB6中相互矛盾的量子振荡数据，这些数据表现出各向同性的角度依赖性的低频与高频振荡。
• 解决一个悖论：尽管在高磁场下体相表现出强绝缘性，但量子振荡却显示出类似三维的费米面特征。
• 解释低温下振幅上升的现象，该现象暗示了量子临界性或Kondo屏蔽破坏。
• 在单一基于表面态的框架下统一分散的实验结果——表面电导率、角分辨光电子能谱（ARPES）、量子振荡以及磁热电输运。
• 检验一个假设：高频率振荡源于X点附近的拓扑保护表面轨道，而非体相准粒子。

提出的方法

• 使用辅助费米子平均场理论模拟表面态上的Kondo屏蔽破坏，追踪局域f-自旋与表面态之间混合强度的演化。
• 应用Luttinger求和规则，追踪Kondo屏蔽被抑制时费米面的变化，导致更大的费米面轨道。
• 使用具有$1/\cos(\phi - \phi_0)$行为的二维表面态建模振荡频率的角度依赖性，与实验观测到的各向同性一致。
• 将理论拟合结果与Li等（2014）及Tan等（2015）的实验数据进行比较，显示在低频范围内理论与实验数据在误差范围内一致。
• 分析低温下偏离Lifshitz-Kosevich公式的偏差，将其解释为表面量子临界性或磁性破坏的信号。
• 预测：若表面Kondo效应在低磁场和低温下重新出现，则会出现新的高有效质量振荡频率，与磁热电输运数据中观察到的Kondo屏蔽重新出现现象一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmB6中观测到的高频率量子振荡是否可由拓扑表面态而非体相准粒子来解释？
• RQ2 低温下振幅上升现象的机制是什么？其与Kondo屏蔽破坏有何关联？
• RQ3 为何量子振荡测得的有效质量（$m^*/m \sim 0.1-0.2$）与ARPES测得的（$m^*/m \sim 1$）及磁热电输运测得的（$m^*/m \sim 10-100$）存在如此显著的差异？
• RQ4 二维表面态如何产生类似三维的振荡频率角度依赖性？
• RQ5 哪些实验信号可用来区分表面Kondo屏蔽破坏与体相磁性破坏或量子临界性？

主要发现

• SmB6中的高频率量子振荡由表面X点附近的大型拓扑保护费米面轨道引起，而非体相三维准粒子。
• 低温下振幅上升现象归因于表面Kondo屏蔽破坏，此时局域自旋与表面态解耦，导致准粒子变轻且费米面扩大。
• 理论拟合结果表明，在低频范围内，二维表面态模型与三维体相模型对实验数据的拟合效果相当，若无角分辨测量，两者难以区分。
• 随着表面Kondo效应被抑制，根据Luttinger求和规则，费米面面积增大，即使在中等混合强度下，大轨道仍能持续存在。
• 该理论预测在最低温度下重费米子将重新出现，与磁热电输运数据中观察到的Kondo屏蔽重新出现现象一致。
• 低温下偏离Lifshitz-Kosevich公式的偏差可由表面量子临界性或磁性破坏解释，二者均会增强准粒子质量并改变振荡行为。