[论文解读] Universal properties of the near-gap spectra of SmB6: dynamical mean-field calculations and photoemission experiments

Chul-Hee Min, K.-S. Chen+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2015

Rare-earth and actinide compounds参考文献 83被引用 5

一句话总结

本研究通过周期性混合价模型的动态平均场理论（DMFT）计算，表明SmB6的近带隙谱特征由单一能量尺度——相干温度$T_{\text{coh}}$——统一支配。通过以$T_{\text{coh}}$对理论谱进行归一化，与角分辨光电子能谱实验获得的谱线实现优异的定量吻合，证实了在这一拓扑Kondo绝缘体中，相干准粒子的形成驱动了能隙的打开。

ABSTRACT

Samarium hexaboride (SmB6) has been presumed to show a topological Kondo insulating state consisting of fully occupied quasiparticle bands in the concept of a Fermi liquid. This gap emerging below a small coherence temperature is the ultimate sign of coherence for a many-body system, which in addition induces a non-trivial topology. Here, we demonstrate that just one energy scale governs the gap formation in SmB6, which supports the Fermi liquid description. The temperature dependence of the gap formation in the mixed valence regime is captured within the dynamical mean field (DMFT) approximation to the periodic Anderson model (PAM). The scaling property of the model with the topological coherence temperature provides a strong connection to the photoemission spectra of SmB6. Our results suggest a simple way to compare a model study and an experiment result for heavy fermion insulators.

研究动机与目标

• 建立多体模型计算与SmB6实验光电子能谱之间的定量关联。
• 识别SmB6混合价区中能隙形成所受支配的通用能量尺度。
• 检验相干温度$T_{\text{coh}}$是否为SmB6中谱演化唯一的标度参数。
• 通过比较DMFT预测与实验光电子能谱数据，验证SmB6的费米液体描述。
• 证明仅需最小化模型参数——特别是混合价与$T_{\text{coh}}$——即可定量再现实验谱线。

提出的方法

• 在混合价区使用动态平均场理论（DMFT）求解周期性Anderson模型（PAM）。
• 采用单一能量尺度$T_{\text{coh}}$对理论谱函数进行重标度，以与实验结果对比。
• 应用高斯函数的数值卷积过程，以考虑实验中的能量分辨率展宽效应。
• 将计算得到的谱密度归一化至费米分布函数（FDD），以匹配实验的强度量纲。
• 选择$h\nu > 40$ eV的光子能量，以突出光电子能谱数据中4f态的权重。
• 聚焦于靠近$E_{\text{F}}$的$^{6}H_{5/2}$态，忽略因温度依赖性极小而影响可忽略的$^{6}H_{7/2}$态。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一个单一的通用能量尺度，统一支配SmB6中近带隙谱的温度依赖演化？
• RQ2 当以$T_{\text{coh}}$进行标度时，PAM的DMFT计算能否定量再现SmB6的实验光电子能谱？
• RQ3 作为$T_{\text{coh}}$所指示的相干准粒子态的出现，是否与SmB6中拓扑能隙的打开同步发生？
• RQ4 最小化模型参数——混合价与$T_{\text{coh}}$——在多大程度上可解释SmB6中观测到的复杂谱学特征？
• RQ5 理论谱线以$T_{\text{coh}}$进行标度，如何实现重费米子绝缘体中理论与实验之间的直接、定量比较？

主要发现

• 以$T_{\text{coh}}$标度后的理论谱线在温度依赖性上与实验光电子能谱数据表现出极佳的定量一致性，尤其在能隙打开与4f峰演化方面。
• 4f峰位置、线宽以及能隙大小均与$T_{\text{coh}}$成比例，证实了谱线的普适标度行为。
• 在20 K以下，理论与实验中$E_{\text{F}}$处的谱权重均趋于饱和，表明完全相干与能隙闭合。
• 确定相干温度$T_{\text{coh}} = 50$ K为能隙形成的关键尺度，与多项实验观测结果一致。
• 尽管未考虑详细能带结构，但结果仍保持一致，表明$T_{\text{coh}}$与混合价已足够实现谱线的普适描述。
• 结果支持SmB6的费米液体描述，即在$T_{\text{coh}}$以下出现相干准粒子能带，并驱动拓扑能隙的形成。