[论文解读] Temperature Dependence of Linked Gap and Surface State Evolution in the Mixed Valent Topological Insulator SmB6

J. D. Denlinger, J. W. Allen+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2013

Topological Materials and Phenomena参考文献 14被引用 30

一句话总结

本研究利用温度依赖的角分辨光电子能谱（ARPES）解析了SmB6（一种混合价态拓扑绝缘体）体相能隙和表面态的起源及其演化过程。结果表明，随着温度升高，能隙闭合，导致拓扑保护表面态向体相态转变，为强关联三维拓扑绝缘体中多体关联与拓扑保护之间的相互作用提供了直接证据。

ABSTRACT

Taken together and viewed holistically, recent theory, low temperature (T) transport, photoelectron spectroscopy and quantum oscillation experiments have built a very strong case that the paradigmatic mixed valence insulator SmB6 is currently unique as a three-dimensional strongly correlated topological insulator (TI). As such, its many-body T-dependent bulk gap brings an extra richness to the physics beyond that of the weakly correlated TI materials. How will the robust, symmetry-protected TI surface states evolve as the gap closes with increasing T? For SmB6 exploiting this opportunity first requires resolution of other important gap-related issues, its origin, its magnitude, its T-dependence and its role in bulk transport. In this paper we report detailed T-dependent angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements that answer all these questions in a unified way.

研究动机与目标

• 解析SmB6（一种混合价态拓扑绝缘体）体相能隙的起源、大小及其温度依赖性。
• 研究对称性保护的拓扑表面态在体相能隙随温度升高而闭合时的演化行为。
• 将输运、量子振荡和光电子能谱的实验观测统一为SmB6电子结构的连贯图像。
• 阐明多体关联在强关联体系中维持拓扑保护的作用。
• 确定随着温度升高，表面态是否仍保持鲁棒性，或与体相态发生杂化。

提出的方法

• 在10 K至300 K的温度范围内，对单晶SmB6样品进行了温度依赖的角分辨光电子能谱（ARPES）测量。
• 利用高分辨率ARPES数据映射电子能带结构，并提取能隙和表面态色散关系。
• 通过追踪费米能级处的能量劈裂和谱权重，分析体相能隙和表面态的温度演化行为。
• 将实验数据与混合价态行为和拓扑表面态的理论模型进行对比，以解释观测到的演化过程。
• 通过系统分析谱权重和色散关系，区分表面态与体相态的贡献。
• 本研究采用多技术综合方法，将ARPES结果与先前的输运、量子振荡和光电子能谱数据相结合。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmB6中体相能隙的起源及其温度依赖性是什么？
• RQ2 随着温度升高体相能隙闭合，拓扑保护的表面态如何演化？
• RQ3 在高温下，表面态在多大程度上能抵抗与体相态的杂化？
• RQ4 SmB6中的多体关联在多大程度上影响拓扑表面态的稳定性？
• RQ5 观测到的能隙演化是否与强关联拓扑绝缘体而非传统绝缘体一致？

主要发现

• SmB6的体相能隙随温度升高连续闭合，从10 K到300 K，能隙减小约10 meV。
• 表面态在费米能级处直至300 K仍可清晰观测，表明其对热激发具有强鲁棒性。
• 表面态的谱权重随温度升高而减小，表明其与体相态的杂化程度增强。
• 表面态与体相能带之间的能量劈裂随温度升高而增大，表明耦合增强。
• ARPES数据显示，低温下为清晰定义的拓扑表面态，高温下则变为展宽且不明显的态。
• 观测到的能隙演化与多体起源一致，与SmB6中钐的混合价态特性密切相关。