Aufklärung der enigmatischen Fermi-Fläche von SmB6 mittels niedrigenergetischer Elektrodynamik

• Antragsteller: Dr. Marc Scheffler
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419885010

Samariumhexaborid (SmB6) ist eines der am intensivsten untersuchten Materialien mit elektronischen Korrelationen, aber trotzdem eines der rätselhaftesten. SmB6 wurde traditionell als Kondo-Isolator aufgefasst, in den letzten Jahren hingegen als erstes Beispiel eines korrelierten topologischen Isolators. Dementsprechend sollte SmB6 eine zwei-dimensionale Fermi-Fläche besitzen, die von den topologischen Oberflächenzuständen herrührt. Zwei kürzliche, vielbeachtete Quantenoszillations-Studien zu SmB6 präsentieren hierzu aber unterschiedliche Aussagen. Im einen Fall gibt es deutliche Anzeichen für eine zweidimensionale Fermi-Fläche, im anderen Fall hingegen für eine dreidimensionale. Letzteres ließe sich mit der Vorstellung, dass das Innere einer SmB6-Probe elektrisch isolierend ist, nicht in Einklang bringen, und deshalb waren diese Experimente Anlass für eine Fülle neuartiger theoretischer Konzepte, von denen einige exotische Quasiteilchen verwenden, die sich fundamental von konventionellen Elektronen in Festkörpern unterscheiden.In diesem Projekt wollen wir grundsätzliche Eigenschaften der Fermi-Fläche von SmB6 mittels Untersuchungen der niedrigfrequenten Elektrodynamik aufklären. Insbesondere wollen wir die Zyklotronresonanz von SmB6 detektieren und damit die Fermi-Fläche charakterisieren, unabhängig davon, ob diese zwei- oder drei-dimensional ist. In konventionellen Festkörpern wird Zyklotronresonanz beobachtet, indem man ein elektrisches Mikrowellenfeld auf eine Probe in einem statischen Magnetfeld einstrahlt. Für SmB6 gibt es bisher keine eindeutigen Angaben zur effektiven Masse und Streurate der relevanten beweglichen Quasiteilchen, es ist sogar unklar, ob diese eine elektrische Ladung tragen oder neutral sind. Folglich ist derzeit auch nicht konkret vorherzusagen, bei welcher Kombination von Magnetfeld und Anregungsfrequenz und unterhalb welcher Temperatur die Zyklotronresonanz von SmB beobachtbar sein wird. Deshalb werden wir die Elektrodynamik von SmB6 mittels einer Reihe unterschiedlicher experimenteller Methoden untersuchen (bei Frequenzen zwischen 45 MHz und 1.3 THz, bei Magnetfeldern bis 8 T, bei Temperaturen bis herab zu 20 mK und mit der Option, gezielt nur elektrische oder magnetische Hochfrequenzfelder einzustrahlen). Experimente in diesem extrem breiten Parameterbereich werden durch die Beobachtung von Zyklotronresonanz entscheidende Aussagen über die Fermi-Fläche von SmB6 ermöglichen. Außerdem werden wir anhand dieser Daten eine andere fundamentale offene Frage zu SmB6 angehen, nämlich wie die in früheren Experimenten beobachtete, überraschend hohe THz-Leitfähigkeit mit dem Gleichstromverhalten in Einklang gebracht werden kann und ob die zugrundeliegende Ursache für dieses Verhalten dieselben enigmatischen Quasiteilchen sind, die möglicherweise die dreidimensionale Fermi-Fläche von SmB6 verursachen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen