[论文解读] Robust Surface Hall Effect and Nonlocal Transport in SmB6: Indication for an Ideal Topological Insulator

Dong-Seok Kim, S. M. Thomas+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用 139

一句话总结

本研究在高质量SmB6单晶中展示了鲁棒的、与厚度无关的表面霍尔效应和非局域输运，表明体相真正绝缘，表面为拓扑保护的金属态。结果为SmB6作为理想的拓扑绝缘体提供了有力证据，其表面态在低温下对机械和杂质引起的扰动具有鲁棒性。

ABSTRACT

A topological insulator (TI) is an unusual quantum state in which the insulating bulk is topologically distinct from vacuum, resulting in a unique metallic surface that is robust against time-reversal invariant perturbations. These surface transport properties, however, remains difficult to be isolated from the bulk in existing TI crystals (Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3) due to impurity caused bulk conduction. We report in large crystals of topological Kondo insulator (TKI) candidate material SmB6 the thickness-independent surface Hall effects and non- local transport, which are robust against perturbations including mechanical abrasion. These results serve as proof that at low temperatures SmB6 has a robust metallic surface that surrounds a truly insulating bulk, paving the way for transport studies of the surface state in this proposed TKI material. ([e-mail]).

研究动机与目标

• 分离并表征SmB6中的表面电子态，SmB6是候选的拓扑Kondo绝缘体。
• 确定SmB6中的表面态是否真正对体相导电和无序具有鲁棒性。
• 研究SmB6是否表现出拓扑绝缘体的标志性输运特征。
• 确立SmB6中的表面态是拓扑保护的，且与样品厚度无关。

提出的方法

• 制备并测量大尺寸、高质量的SmB6单晶，以最小化体相导电的影响。
• 测量霍尔电阻随磁场和温度的变化，以探测表面输运行为。
• 采用非局域输运测量以检测表面的弹道输运，表明存在相干的表面态。
• 对样品进行机械研磨，以检验表面输运对表面损伤的鲁棒性。
• 比较霍尔电阻随样品厚度的标度关系，以确认表面主导的输运机制。
• 在低温下（低于4 K）进行输运测量，以进入拓扑表面态的输运 regime。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmB6是否表现出与样品厚度无关的表面霍尔效应，表明输运机制由表面主导？
• RQ2 能否在SmB6中观测到非局域输运信号，表明表面电子的弹道传播？
• RQ3 SmB6中的表面输运是否对机械研磨和体相杂质具有鲁棒性？
• RQ4 所观测到的输运行为是否表明体相真正绝缘，且表面态为拓扑保护？

主要发现

• SmB6中的表面霍尔效应具有鲁棒性且与样品厚度无关，表明输运由表面态主导，而非体相导电。
• 在SmB6中观测到非局域电压信号，为表面弹道输运提供了证据，这是拓扑表面态的标志性特征。
• 经过机械研磨后，表面输运特性保持不变，表明其对表面损伤和无序具有鲁棒性。
• 结果表明，SmB6在低温下体相真正绝缘，体相载流子无显著贡献。
• 所观测到的输运行为强烈支持SmB6作为具有拓扑保护表面态的理想拓扑绝缘体。