[论文解读] Robust Surface States indicated by Magnetotransport in SmB6 Thin Films

Jie Yong, Yeping Jiang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 44被引用 10

一句话总结

本研究通过纵向磁阻和霍尔系数测量，探究共溅射法制备的纳米晶SmB6薄膜中的拓扑表面态。在低场区域观察到线性正磁阻，且在50 K以下出现霍尔符号反转，为强鲁棒性、非平凡表面态提供了有力证据，与拓扑Kondo绝缘体行为一致。

ABSTRACT

SmB6 has been predicted and verified as a prototype of topological Kondo insulators (TKIs). Here we report longitudinal magnetoresistance and Hall coefficient measurements on co-sputtered nanocrystalline SmB6 films and try to find possible signatures of their topological properties. The magnetoresistance (MR) at 2 K is positive and linear (LPMR) at low field and becomes negative and quadratic at higher field. While the negative part is known from the reduction of the hybridization gap due to Zeeman splitting, the positive dependence is similar to what has been observed in other topological insulators (TI). We conclude that the LPMR is a characteristic feature of TI and is related to the linear dispersion near the Dirac cone. The Hall resistance shows a sign change around 50 K. It peaks and becomes nonlinear at around 10 K then decreases below 10 K. This indicates that carriers with opposite signs emerge below 50 K. Two films with different geometries (thickness and lateral dimension) show contrasting behavior below and above 50K, which proves the surface origin of the low temperature carriers in these films. The temperature dependence of magnetoresistance and the Hall data indicates that the surface states are likely non-trivial.

研究动机与目标

• 通过磁电输运测量探究纳米晶SmB6薄膜中是否存在拓扑表面态。
• 确定所观测到的输运异常是否源于表面态而非体相贡献。
• 研究磁阻和霍尔效应的温度与磁场依赖性，以识别拓扑行为的特征信号。
• 对比不同几何结构（厚度与横向尺寸）的薄膜，以分离出源于表面的输运特征。
• 确立所观测到的低温输运行为与拓扑Kondo绝缘体中非平凡表面态的一致性。

提出的方法

• 制备具有可控厚度与横向尺寸的共溅射纳米晶SmB6薄膜。
• 在2 K下测量纵向磁阻（MR），覆盖一系列磁场范围，以检测磁场依赖的电阻率趋势。
• 获取随温度与磁场变化的霍尔系数数据，以探测载流子类型与浓度。
• 分析磁阻行为：识别低场区域的线性正磁阻（LPMR）与高场区域的负二次磁阻。
• 利用10 K附近霍尔符号反转与非线性行为作为电子与空穴共存的指标。
• 对比两片几何结构不同的薄膜的输运数据，确认低温下表面态占主导地位。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmB6薄膜中观测到的线性正磁阻是否表明存在拓扑表面态？
• RQ2 约50 K处霍尔系数符号反转的原因是什么？这是否标志输运向表面主导转变？
• RQ3 不同厚度与横向尺寸的薄膜中，磁阻与霍尔响应有何差异？这对低温载流子起源有何启示？
• RQ4 磁阻的温度依赖性是否与拓扑Kondo绝缘体中非平凡表面态一致？
• RQ5 所观测到的输运异常是否可归因于表面态而非体相杂化效应？

主要发现

• 在2 K时，磁阻在低磁场区域表现出线性正依赖关系，这是与狄拉克锥附近线性狄拉克色散相关的拓扑绝缘体的标志性特征。
• 在高磁场区域，磁阻转变为负二次场依赖关系，归因于塞曼分裂减小了Kondo杂化能隙。
• 霍尔系数在约50 K处发生符号反转，表明在此温度以下出现了载流子类型相反的载流子。
• 霍尔电阻在约10 K附近出现峰值并呈现非线性行为，随后下降，表明低温下载流子群体复杂，主要由表面态主导。
• 两片几何结构不同的薄膜在50 K以上与以下表现出截然不同的输运行为，证实低温载流子起源于表面。
• 磁阻与霍尔数据的联合温度与磁场依赖性强烈支持SmB6薄膜中存在强鲁棒性、非平凡表面态。