新型近藤绝缘体 U3Bi4Ni3中金属表面态的重大发现

《SCIENCE ADVANCES》：High-temperature surface state in Kondo insulator U3Bi4Ni3

为探索近藤绝缘体中金属表面态和量子振荡之谜，研究人员对 U3Bi4Ni3研究，发现其表面态，意义重大。

　　# 近藤绝缘体新突破：U₃Bi₄Ni₃金属表面态的奇妙发现
在神秘的凝聚态物理领域，近藤绝缘体就像一座充满未知宝藏的岛屿，吸引着无数科研人员前去探索。近藤绝缘体，是一种特殊的材料体系，在这类材料中，传导电子与局域化的 f 电子相互作用，产生了一种独特的现象 —— 近藤效应。当费米能级处于杂化能隙内时，材料就变成了近藤绝缘体。其中，SmB₆和 YbB₁₂是两种广为人知的近藤绝缘体，它们身上存在着两大令人费解的谜团，就像隐藏在迷雾中的神秘宝藏。

第一个谜团是，在低温下，它们的电阻率并没有像常规绝缘体那样随着温度降低而持续上升，反而出现了饱和现象。这种异常行为与传统理论相悖，就像是物理学规律在这里突然 “失灵” 了。为了解释这一现象，科学家们提出了各种理论，有人认为可能是杂质态或带隙内的态导致的，但都没有得到确凿的证据。直到近年来，一种新的假说出现，认为这可能与拓扑起源的金属表面态有关。然而，这个假说虽然得到了一些实验支持，但也存在许多不一致的地方，使得这个谜团更加扑朔迷离。

第二个谜团是量子振荡现象。量子振荡通常出现在金属中，与费米面密切相关。但在近藤绝缘体 SmB₆和 YbB₁₂中，也观测到了量子振荡，这就像是在绝缘的世界里突然出现了金属的 “影子”。这种现象暗示着这些材料中可能存在着非常规的激发态，如中性费米子或其他奇异的量子态，这对传统的近藤绝缘体态理论提出了巨大挑战。尽管金属表面态被认为可能是解释量子振荡的一个方向，但它并不能完全解释这些振荡为何似乎起源于材料的体相。

这两个谜团相互交织，让 SmB₆和 YbB₁₂的研究陷入了僵局。为了打破这一僵局，进一步揭开近藤绝缘体的神秘面纱，研究人员将目光投向了其他可能的近藤绝缘体体系。他们期望通过研究新的材料，在不同的能量尺度上观察类似的现象，从而找到解开谜团的新线索。

在这样的背景下，来自国外研究机构的科研人员将研究聚焦于一种潜在的近藤绝缘体 ——U₃Bi₄Ni₃。他们的研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为近藤绝缘体的研究带来了新的曙光。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。在样品制备方面，采用了熔盐法（molten metal Flux method）合成 U₃Bi₄Ni₃单晶体，并通过粉末 X 射线衍射（powder x-ray diffraction）和能量色散 X 射线光谱（Energy-dispersive x-ray spectroscopy）对晶体进行表征。在测量手段上，综合运用了多种技术来研究材料的各种性质。比如，使用物理性质测量系统（Quantum Design Physical Property Measurement System）进行电子输运、比热和磁化率测量；采用角分辨光电子能谱（ARPES）技术研究材料的电子结构；运用有限元分析（FEA）方法来分离材料的体相和表面输运性质。

近藤绝缘基态

研究人员首先对 U₃Bi₄Ni₃的近藤绝缘行为进行了表征。在高温时，其磁化率（magnetic susceptibility）呈现出 Curie-Weiss 温度依赖关系，拟合得到的磁矩为 3.68 μ_B，Curie-Weiss 温度 T_CW = -162 K。当温度低于 100 K 时，出现了近藤屏蔽的特征，磁化率饱和到一个接近 8?10^?3 emu/Oe-U_mol的值。

纵向电阻率（ρ_xx）在室温下类似于窄带半导体，带隙 Δ = 95 meV，这个带隙比 SmB₆和 YbB₁₂中的带隙明显更大。随着温度降低，经过近藤温度（T_K ≈ 100 K）后，ρ_xx在 185 milliohm?cm 附近趋于平坦，在 50 K 以下又进一步增加，最终饱和在 290 milliohm?cm。通过对 30 K 至 60 K 的温度区间进行 Arrhenius 拟合，得到的激活能隙 Δ > 1.5 meV。

磁输运测量进一步支持了 U₃Bi₄Ni₃的近藤相干基态。高温下的霍尔电阻率（ρ_xy）呈现出 S 形，不能用简单的两带模型准确描述，这是反常霍尔效应（anomalous Hall effect）的典型特征。通过对两带霍尔模型进行修正，提取出反常霍尔电阻率，发现其随温度的变化规律与其他近藤晶格系统一致。

研究人员还通过角分辨光电子能谱（ARPES）在 20 K 下对 U₃Bi₄Ni₃进行测量。利用 98-eV 光子能量共振增强 U 5f 态的光电离截面，结果显示在费米能级附近存在 U 5f 多重态，并且在费米能级处的整体强度受到抑制，这与近藤绝缘体的特征相符。

金属表面态

U₃Bi₄Ni₃的电阻率随温度变化的曲线在 150 K 以下出现平台，这与 SmB₆和 YbB₁₂中的情况类似，可能是由于金属表面态或扩展的带隙内态引起的。为了确定平台的起源，研究人员进行了厚度依赖的研究。他们将样品依次抛光至不同厚度，发现高温时电阻率基本与厚度无关，表明是体相输运；而低温时，随着厚度减小，电阻率显著降低，这是表面电荷输运的明显迹象。

为了更准确地确定体相和表面输运系数，研究人员采用了非局部输运测量和有限元分析。通过 Corbino 圆盘几何结构进行测量，研究不同配置下的电阻，如 R_12;12和 R_12;34。结果发现，在表面态开始出现的温度以下，R_12;34表现出双逆带隙行为。

通过有限元分析，研究人员能够分离出体相和表面输运性质。结果显示，样品的体相电阻率在不同温度下呈现出不同的激活能隙，而表面电导率从 250 K 开始显著增加，在 150 K 以下几乎与温度无关。在最低温度下，表面电导率比体相电导率高得多，不同样品的表面态表现出一定的差异，但都显示出表面态的稳健性。

研究结论与意义

研究人员在 U₃Bi₄Ni₃中发现了金属表面态，这是近藤绝缘体领域的一项重要成果。U₃Bi₄Ni₃与 SmB₆、YbB₁₂在电子输运特性上既有相似之处，又存在明显差异。相似的是，它们都在高温下表现出激活行为，低温下出现电阻率饱和现象，且表面态都具有很强的稳健性，不易受表面条件和杂质的影响，这表明这些表面态可能具有内在的保护机制，拓扑带反转可能是其产生的原因之一。

不同的是，U₃Bi₄Ni₃的表面态在远高于近藤温度（T_K = 100 K）的 200 - 250 K 就开始出现，而 SmB₆和 YbB₁₂的表面态分别在 4 K 和 2 K 以下才出现。这种差异为研究近藤绝缘体中表面态的起源和机制提供了新的视角。

U₃Bi₄Ni₃中表面态的出现温度高于近藤温度，这一现象引发了关于其起源的思考。一种可能是高温下就存在与拓扑带隙相关的稳健表面态，随着温度降低，近藤效应使带隙重整化减小，但表面态的基本性质不变；另一种可能是高温下的表面态起源平凡，在冷却转变为近藤绝缘体状态时才受到保护。目前的研究数据还无法确定哪种机制正确，需要进一步研究。

U₃Bi₄Ni₃的表面态形成了一个独特的二维电子气系统，具有强电子关联、显著的自旋轨道耦合以及高电导率和迁移率。其在 5 K 时的面电导率达到 0.1 - 0.5 ohm^?1，比 SmB₆和 FeSi 高一个数量级，与 Bi₂Se₃相当。这种独特的性质使得 U₃Bi₄Ni₃成为研究强关联材料中金属表面态基本物理的重要体系，有望为发现新的量子现象提供线索。

此次研究成果为近藤绝缘体中金属表面态和量子振荡的研究开辟了新的道路，U₃Bi₄Ni₃作为一个新的研究对象，其丰富的物理性质和独特的表面态行为，将促使科学家们进一步探索强关联体系中电子的奥秘，推动凝聚态物理领域的发展。