[论文解读] Majorana Fermi Sea in Insulating SmB6: A proposal and a Theory of Quantum Oscillations in Kondo Insulators

G. Baskaran|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2015

Rare-earth and actinide compounds参考文献 3被引用 39

一句话总结

该论文提出，SmB6 中存在一种体相标量马约拉纳费米液体——一种具有有限能隙的中性、电荷绝缘态，其集体量子振荡源于一种相干的、与磁场耦合的标量马约拉纳费米子海。该理论通过一种紧致化的双通道 Kondo 晶格机制，解释了在绝缘体 SmB6 中观测到的量子振荡，揭示了即使电荷中性的马约拉纳费米子也能表现出朗道抗磁性和类似 de Haas-van Alphen (dHvA) 的振荡。

ABSTRACT

In an exciting development, SmB6, a Kondo insulator has been shown to exhibit bulk quantum oscillations. We propose that SmB6 is a bulk scalar Majorana Fermi Liquid} (MFL) with a finite gap for charge and spin excitations. In their study of Kondo insulators in 1993, Coleman, Miranda and Tsvelik (CMT) envisaged such a remarkable possibility, using a mean field ansatz. We generalize CMT theory to non-zero magnetic fields and show a counter intuitive result that the scalar Majorana fermi liquid, while remaining electrically insulating, responds to external magnetic field and exhibits Landau diamagnetism and quantum oscillations. Physics of an emergent compactified 2-channel Kondo lattice physics that is behind formation of the novel scalar Majorana fermi liquid phase is discussed. It is also suggested that a known resistivity saturation in SmB6 as well as a new strong deviation of quantum oscillation amplitude from Lifshitz-Kosevich formula in SmB6 at low temperatures are due to a coherent fluctuation of charge of a neutral scalar Majorana fermion. Possible presence of 2-dimensional Majorana fermion excitations in surfaces of SmB6, and other Topological Kondo Insulators (TKI) is pointed out.

研究动机与目标

• 解释在绝缘性 Kondo 化合物 SmB6 中意外观测到体相量子振荡的原因。
• 调和 SmB6 的绝缘行为与其在量子振荡实验中表现出的费米面类似响应之间的矛盾。
• 为一种电中性、标量的马约拉纳费米液体提供一个理论框架，使其仍能响应外磁场。
• 将 SmB6 中振荡振幅的异常温度依赖性以及电阻率饱和现象与中性马约拉纳费米子的相干电荷涨落联系起来。
• 提出 SmB6 及其他拓扑 Kondo 绝缘体可能具有表面马约拉纳模式和奇异的低能激发。

提出的方法

• 将 Coleman、Miranda 和 Tsvelik (CMT) 的平均场理论推广至非零磁场，以描述 SmB6 中的标量马约拉纳费米液体。
• 引入一种紧致化的双通道 Kondo 晶格模型，解释标量马约拉纳费米子海的出现，同时使自旋-1 和电荷激发产生能隙。
• 证明尽管标量马约拉纳费米液体是电中性的，仍表现出朗道抗磁性，并展现出与带电费米液体形式相同的量子振荡。
• 分析标量马约拉纳费米子中相干电荷涨落的作用，以解释电阻率饱和现象以及对 Lifshitz-Kosevich 公式的偏离。
• 利用对称性和有效场论论证，表明标量马约拉纳费米子海保留了母体 Kondo 晶格的费米面拓扑结构。
• 提出表面与体相响应（如 STM 中的 Fano 线型、表面量子振荡）是低能激发中马约拉纳特性的标志。

实验结果

研究问题

• RQ1 在像 SmB6 这类缺乏传统带电准粒子费米面的绝缘性 Kondo 系统中，量子振荡如何发生？
• RQ2 何种机制使得电中性、标量的马约拉纳费米液体能够与外磁场耦合，从而产生朗道抗磁性和量子振荡？
• RQ3 为什么 SmB6 中量子振荡的振幅在低温下偏离 Lifshitz-Kosevich 公式？这对其准粒子本质意味着什么？
• RQ4 紧致化的双通道 Kondo 相互作用在稳定标量马约拉纳费米液体的同时，如何使自旋和电荷激发产生能隙？
• RQ5 观测到的电阻率饱和现象以及 STM 测量中 Fano 线型是否可归因于中性马约拉纳费米子的相干电荷涨落？

主要发现

• 该论文提出，SmB6 中存在一种体相标量马约拉纳费米液体相，其为电绝缘体，但因相干磁响应而支持量子振荡。
• 该标量马约拉纳费米液体与磁场的耦合方式与带电费米液体完全相同，使其即使在电中性条件下也能表现出朗道抗磁性和 dHvA 量子振荡。
• 低温下量子振荡振幅对 Lifshitz-Kosevich 公式的偏离，归因于中性标量马约拉纳费米子的相干电荷涨落。
• SmB6 中的电阻率饱和现象被解释为标量马约拉纳费米子海中相干电荷涨落的结果，初步理论分析支持此解释。
• 实验中观测到表面态具有轻的有效质量，尽管理论预测其为重能带，该现象被提出与体相标量马约拉纳费米子海直接相关。
• 在 SmB6 上 STM 测量中观测到的 Fano 线型被解释为低能准粒子内在马约拉纳特性的标志。