CC BY
718-20 октября 2022 г
-------------1Е НЕДЕЛИ»
КВАНТОВАЯ МАКРОФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД И НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ
Поверхностная проводимость в топологическом Кондо изоляторе SmB6
Журкин В.С., Азаревич А.Н., Кудрявцев О.С.
Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук», Москва Е-mail: dok5555@mail. ru
DOI: 10.24412/cl-35673-2022-1-29-31
Гексаборид самария является классической системой с сильными электронными корреляциями, в которой состояния ионов самария с разным числом /электронов (4fn и 4fn 1) оказываются вырожденными [1]. Нецелочисленная валентность иона самария (для SmB6 и«2.6 [2]) приводит к частичной делокализации 4/-состояний и флуктуациям магнитного момента. Гибридизация локализованных 4f и зонных 5d-элекгронов приводит к открытию щели в зонном спектре SmB6 (sg«19 мэВ [3]), что позволяет отнести это соединение к классу коррелированных узкозонных полупроводников с аномально высокими значениями эффективных масс электронов (~30m0) и дырок (~1500m0) [4-5].
Сильные 4/-^-электронные корреляции определяют ряд аномалий транспортных свойств гексаборида самария, в частности, «насыщение» удельного сопротивления (р~10^100 Ом-см), регистрируемое при T <5 K для всех монокристаллов независимо от способа их получения. Согласно модели коррелированного топологического изолятора (КТИ) [6], такая конечная проводимость обусловлена поверхностными электронами с дираковским спектром, возникающими из-за нетривиальной топологии зонной структуры SmB6 (соответствующий Z2 инвариант (1;111) [6]). Доминирующий вклад поверхностной проводимости при низких температурах подтверждают данные фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением [7-8] и эффекты нелокальной проводимости, проявляющиеся при изменении геометрии токовых путей при
™™дыГу™ квантовая макрофизика конденсированных сред
переходе от трехмерного к двумерному режиму электронного транспорта [9-10]. Однако направленного исследования параметров поверхностных состояний и их эволюции под влиянием дефектов, инициированных различной (абразивной, химической, плазменной и пр.) обработкой, для полярных/неполярных поверхностей SmB6 [1112] до настоящего времени не проводилось.
В работе выполнено исследование гальваномагнитных свойств образцов SmB6 с поверхностями, ориентированными по различным кристаллографическим плоскостям (100), (110). Образцы вырезаны из одного монокристалла, выращенного методом зонной плавки с тремя проходами зоны. Обработка поверхности осуществлялась при помощи полировки на алмазном абразиве, контроль качества поверхности выполнялся на электронном микроскопе JSM-5910LV. Удельное сопротивления и эффект Холла измерялись при температурах 1.8-300 К в магнитных полях до 8 Тл. Для образцов с гранями (100) и (110) был выполнен контрольный эксперимент с травлением поверхностей в водном растворе НК03 (2.5:5).
В работе показано, что степень полярности и способ обработки поверхности не оказывают влияния на параметры электронного транспорта в SmB6 при Т > 8 К. Напротив, в режиме поверхностной проводимости при Т < 5 К полярная поверхность (100) после абразивной полировки демонстрирует значение сопротивления насыщения р100 = 1.41 Ом-см и значения коэффициента Холла Rн100/Rн111 = 0.45 и подвижности цн ~ 2.2 см2/Вс при Т = 2 К, характеризующие поверхностные электроны. При этом наблюдается заметный рост значений р100 = 14.3 Ом-см, Rн100=475 см3/Кл и цн100 = 15.3 см2/Вс после химического травления граней (100). Поверхность (110) после полировки демонстрирует значение сопротивления насыщения р110=0.43 Ом-см и значения коэффициента Холла Rн110/Rн111 = 0.47 и подвижности цн« 6.7 см2/Вс, характеризующие поверхностные электроны. При этом наблюдается заметный рост значений р110 = 20.1 Ом-см, Rн110 — 214 см3/Кл и цн110 — 11.2 см2/Вс после химического травления граней (110).
Полученные результаты указывают на то, что параметры поверхностных состояний зависят не только от дефектов, инициированных различной обработкой поверхности, но и от типа поверхности (полярная/неполярная). Также открывается возможность эффективного управления параметрами поверхностных состояний за
ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
-------------1Е НЕДЕЛИ»
18-20 октября 2022 г
счет различной обработки поверхности SmB6.
Исследование выполнено в рамках гранта Российского научного фонда №22-22-00990, https://rscf.ru/project/22-22-00990/
Авторы выражают благодарность Глушкову В.В., Божко А.Д. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждение результатов.
1. Хомский Д.И. УФН. 1979, 129, 443.
2. Mizumaki M., et al. J. Phys.: Conf. Series. 2009, 176, 012034.
3. Gorshunov B., et al. Phys. Rev. B. 1999, 59, 1808.
4. Travaglini G., Wachter P. Phys. Rev. B. 1984, 29, 893.
5. Sluchanko N., et al. Phys. Rev. B. 2000, 61, 9906.
6. Dzero M., et al. Phys. Rev. Lett. 2010, 104, 106408.
7. Neupane M., et al. Nat. Commun. 2013, 4, 2991.
8. Xu N., et al. Phys. Rev. B. 2013, 88, 121102.
9. Kim D.J., et al. Nature Mater. 2014, 13, 466.
10.Gabani S., et al. Sol. St. Sci. 2015, 47, 17.
11.Zhu Z.-H., et al. Phys. Rev. Lett. 2013, 111, 216402.
12.Demishev S.V., et al. Sci. Rep. 2018, 8, 7125.
