[论文解读] Surface electronic structure of a topological Kondo insulator candidate SmB6: insights from high-resolution ARPES

Madhab Neupane, Nasser Alidoust+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2013

Rare-earth and actinide compounds参考文献 1被引用 8

一句话总结

本研究采用高分辨率、低温激光角分辨光电子能谱（ARPES），直接探测了SmB6的表面电子结构，该材料是拓扑Kondo绝缘体的候选者。在低于15 K的温度下，研究在费米能级附近4 meV范围内识别出体相能隙内的金属态表面态，这些表面态在表面布里渊区的X和Γ点附近形成电子型费米面口袋，当温度高于15 K时这些表面态消失，同时二维电导率也完全消失，为表面态导致低温残余电导率异常提供了有力证据。

ABSTRACT

The Kondo insulator SmB6 has long been known to exhibit low temperature (T < 10K) transport anomaly and has recently attracted attention as a new topological insulator candidate. By combining low-temperature and high energy-momentum resolution of the laser-based ARPES technique, for the first time, we probe the surface electronic structure of the anomalous conductivity regime. We observe that the bulk bands exhibit a Kondo gap of 14 meV and identify in-gap low-lying states within a 4 meV window of the Fermi level on the (001)-surface of this material. The low-lying states are found to form electron-like Fermi surface pockets that enclose the X and the Gamma points of the surface Brillouin zone. These states disappear as temperature is raised above 15K in correspondence with the complete disappearance of the 2D conductivity channels in SmB6. While the topological nature of the in-gap metallic states cannot be ascertained without spin (spin-texture) measurements our bulk and surface measurements carried out in the transport-anomaly-temperature regime (T < 10K) are consistent with the first-principle predicted Fermi surface behavior of a topological Kondo insulator phase in this material.

研究动机与目标

• 为解决SmB6中长期存在的残余低温电导率之谜，即尽管体相存在带隙，其电导率在10 K以下仍持续存在。
• 在输运异常区域（T < 10 K）以高能量和动量分辨率，实验探测SmB6的表面电子结构。
• 检验理论假设，即SmB6在其Kondo能隙内存在拓扑保护的表面态。
• 确定Kondo能隙和体相能隙内表面态的温度依赖性，并与输运测量结果相关联。
• 通过动量分辨光谱区分体相杂化效应与表面态。

提出的方法

• 在6 K下进行激光基角分辨光电子能谱（ARPES）测量，能量分辨率达4 meV，角度分辨率小于0.1°，以实现高能量-动量分辨率。
• 利用东京大学ISSP研究所的6.994 eV紫外激光光源进行低温ARPES测量，以进入异常电导率区域。
• 采用同步辐射ARPES作为对比，能量分辨率为20 meV，以验证体相能带结构特征。
• 采用GGA泛函的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟体相能带结构及4f和5d能带的轨道特征。
• 从7 K下的ARPES数据中提取费米面图，以识别表面态的拓扑结构，并与理论预测进行比较。
• 系统地进行从6 K到30 K的温度依赖ARPES测量，以追踪Kondo能隙和体相能隙内态的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温下，SmB6的Kondo能隙内是否存在体相能隙内的表面态？这些表面态是否导致了残余二维电导率？
• RQ2 在输运异常区域，SmB6的动量分辨电子结构如何随温度演化？
• RQ3 在表面布里渊区的X和Γ点观测到的体相能隙内态是否可归因于拓扑表面态，还是体相杂化的伪影？
• RQ4 Kondo能隙的精确值是多少？其与表面导电开始和抑制的关联性如何？
• RQ5 实验获得的费米面图与拓扑Kondo绝缘体的第一性原理预测在多大程度上一致？

主要发现

• 通过高分辨率ARPES直接观测到体相能带中14 meV的Kondo能隙，与第一性原理GGA计算预测的15 meV能隙一致。
• 在费米能级附近4 meV窗口内识别出体相能隙内的表面态，这些表面态在表面布里渊区的X和Γ点附近形成电子型费米面口袋。
• 这些体相能隙内表面态在高于15 K时完全消失，与SmB6中二维电导通道的完全抑制同步发生，表明其与残余导电异常存在直接关联。
• 在Γ点处，由于预期无直接d-f杂化，其态的温度依赖性演化表明其非体相起源，可能暗示存在拓扑表面态。
• 7 K下的费米面图显示，在X点附近为一大片椭圆形口袋，在Γ点附近为一小片圆形口袋，与第一性原理计算预测的拓扑表面态定性一致。
• 体相能带计算中未见这些态，而在表面态模型中存在，支持其起源于杂化表面态而非体相能带。