王亚愚研究组在近藤绝缘体的电子结构研究方面取得进展

2014年4月01日

王亚愚研究组在近藤绝缘体的电子结构研究方面取得进展

近藤晶格(Kondo Lattice)是凝聚态物理中非常引人注目的材料体系,具有诸如重费米子超导,量子临界现象以及近藤绝缘体等丰富的物理现象。关于近藤晶格的一个重要问题是巡游电子和局域磁矩的相互作用如何引起新奇的量子基态。六硼化钐(SmB6)是一种典型的近藤绝缘体,但是在低温其电阻呈现金属性,其成因至今依然存在争议。近来人们提出SmB6可能是一个具有强电子关联的拓扑绝缘体,具有受拓扑保护的表面金属态,但是目前这一观点还缺乏直接的实验证据支持。此外,即使在高温SmB6的电子结构演变也依然存在争议,特别是关于其能隙的形成和能隙中可能存在的低能激发。

最近,实验室博士研究生阮威、叶存、郭明华在导师王亚愚教授的指导下,与张广铭教授以及中国科学技术大学陈仙辉教授研究组合作,利用扫描隧道显微镜对SmB6近藤绝缘体进行了系统的研究。他们首先对材料表面晶格结构进行探测,发现了四种不同的表面形貌(其中的两种如上面左图所示),并可以与晶格表面不同的重构一一对应。低温隧道电子谱显示费米能附近有局域和巡游电子态杂化形成的能隙,而在能隙内存在一个共振峰。在不同的表面形貌上,电子能谱高度相似,表明该体系的电子结构受表面层原子及其重构的影响很小,间接意味着可能有某种表面电子态。随后他们进行变温电子谱测量,发现杂化能隙随温度升高逐渐减小,但一直到60K仍未消失。然而能隙内的共振峰迅速减小,在40K即消失(如上面右图所示),而该温度尺度与输运和磁化率测量发生明显转变的特征温度吻合。理论研究表明该共振可能来源于近藤晶格中自旋单态到三重态的多体激发模式,对材料的输运和磁性质有着重要的影响。

这项工作揭示了在强自旋轨道耦合和混合价涨落背景下,近藤晶格中存在一种新的磁相关的集体激发共振态。这为澄清近藤晶格体系的电子结构演变提供了有价值的新线索。该研究成果以“Emergence of a Coherent In-Gap State in the SmB6 Kondo Insulator Revealed by Scanning Tunneling Spectroscopy”为题发表在Physical Review Letter【112, 136401 (2014)】上。