För några månader sedan, ett team av forskare ledda av Louis Taillefer vid University of Sherbrooke mätte den termiska Hall-konduktiviteten i flera kopparföreningar, syre och andra element som också är högtemperatursupraledare som kallas "kuprater". I fysik, den termiska Hall-effekten beskriver värmeflöde i en riktning tvärs en temperaturgradient.

Rent generellt, värme strömmar i samma riktning som temperaturgradienten, men i närvaro av ett magnetfält, vissa flöden i tvärriktningen, för; detta är känt som den termiska Hall-effekten. I deras studie, Taillefer och hans medarbetare observerade att i cuprates, detta tvärgående flöde kan ibland vara mycket stort, vilket var överraskande för många fysiker över hela världen.

Inspirerad av denna observation, ett team av forskare vid Harvard University och University of California gav sig nyligen ut för att undersöka det ytterligare. I deras papper, publicerad i Naturfysik , de kunde förklara dessa slående fynd genom att ta hänsyn till möjligheten att det applicerade magnetfältet i experimentet kunde föra materialet nära en exotisk fas med en stor termisk Hall-konduktivitet.

Väsentligen, den stora signal som observerats av Taillefer och hans kollegor indikerar närvaron av andra mobila frihetsgrader som, till skillnad från vanliga elektroner, bär inte en elektrisk laddning, men bidrar till värmehallens ledningsförmåga. Dessa ytterligare frihetsgrader verkar bara finnas i Néel-staten och i den så kallade "pseudogap"-staten.

Néel-tillståndet är ett tillstånd där det finns en elektron per kvadratgitterplats och elektronsnurr är ordnade i motsatta riktningar som svarta och vita rutor på ett schackbräde. Pseudogap-tillståndet, å andra sidan, ett av de mest mystiska tillstånden i fasdiagrammet för högtemperatursupraledare, uppstår när Néel-ordern förstörs genom att dopa systemet med hål (dvs. minskar den elektroniska densiteten från en elektron per kvadratgitterplats).

"Dessa observationer fångade omedelbart vår uppmärksamhet sedan våra tidigare teoretiska försök att förstå fasdiagrammet för kupraterna, som motiverades av en uppsättning mycket olika mätningar och numeriska simuleringar, involverar naturligt mobila "spinon"-excitationer i pseudogapfasen, " Mathias Scheurer och Subir Sachdev, två av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Spinoner bär spin men utan kostnad, och representerar därför en naturlig källa till det observerade stora termiska Hall-svaret. Vi var därför ivriga att analysera huruvida dessa teoretiska beskrivningar kvantitativt kan återge termiska Hall-data från Taillefers grupp."

För att undersöka om de teoretiska konstruktionerna de utarbetade var i linje med data som samlats in av Taillefer och hans kollegor, forskarna fokuserade först sina teoretiska undersökningar på de odopade kupraterna, med en elektron per plats och Néel-order. De valde att studera just detta system eftersom odopade experimentella prover är de renaste, och sålunda, de experimentella signaturerna i Taillefers data är sannolikt inneboende för de odopade proverna, snarare än en konsekvens av inhomogeniteter i systemet. Dessutom, observationerna som samlats in av Taillefer och hans team för det odopade systemet är också högst överraskande, eftersom de undergrävde den tidigare förståelsen av Néel-fasen.

"Både vi och P. Lees grupp drog slutsatsen efter detaljerade undersökningar att konventionell spin-wave teori inte kan reproducera den stora termiska Hall-responsen som ses i experiment, " sade Scheurer och Sachdev. "Därför, man står inför problemet med att hitta en mekanism för den observerade förstärkta termiska Hall-effekten i Néel-fasen, som vi tar upp i vår senaste Naturfysik artikel."

En nyckelaspekt av förklaringen till den termiska Hall-effekten från Scheurer, Sachdev och deras kollegor är orbitalkopplingen J _χ av magnetfältet. I material med mycket stark interaktion, som cuprates, denna orbitalkoppling försummas ofta, eftersom det förväntas vara betydligt svagare än den direkta kopplingen av spinnet till magnetfältet, som är känd som Zeeman-koppling. Dock, i närheten av en kritisk punkt, dess effekt kan förstärkas avsevärt.

"Vår teori är att en liten J _χ kan driva systemet in i en kiral spin-vätskefas (CSL) i närheten av den kritiska punkten – en effekt som vi förväntade oss skulle förstärkas ytterligare i närvaro av spin-orbit-koppling, Scheurer och Sachdev sa. "CSL är relaterade till kvanthallsfaser, med den avgörande skillnaden att de mobila frihetsgraderna inte är elektroner utan snarare spinoner, som bara bär spinn och ingen elektrisk laddning. Som sådan, de uppvisar inte ett kvantiserat elektriskt Hall-svar, men genom att bära energi, ge ett kvantiserat termiskt Hall-svar."

Teorin utarbetad av Scheurer, Sachdev och deras kollegor föreslår att det magnetiska fältet som tillämpas i experiment som undersöker den termiska Hall-effekten driver Néel-fasen i närheten av en CSL som samexisterar med Néel-ordningen. I deras studie, de fann att även om det odopade systemet förblev i Néel-fasen, denna närhet ger ett stort termiskt Hall-svar liknande, men något mindre, än vad som observerats i uppgifterna från Taillefers team. Forskarna observerade också att beroendet de förutspådde för den termiska Hall-konduktiviteten på både temperatur och magnetfält stämmer väl överens med mätningarna.

Den teori som forskarna föreslagit representerar således en naturlig möjlig förklaring av Taillefers och hans kollegors slående observationer. Denna termiska Hall-konduktivitet kan inte förklaras av spin-vågteorin för Néel-tillståndet, som tidigare ansågs fånga de odopade föreningarnas fysik mycket väl.

"Vårt arbete indikerar att spinonexcitationer måste tas med i beräkningen, även i Néel-fasen, "Sade Scheurer och Sachdev. "Vår studie visar också att magnetfältets orbitalkoppling, även om det förväntas vara svagt jämfört med Zeeman-kopplingen, kan spela en nyckelroll."

Förutom att ge en genomförbar förklaring till resultaten som samlats in av Taillefer och hans kollegor, Scheurer, Sachdev och deras kollegor kom med en effektiv teori för övergången mellan staten Néel och CSL. Denna teori har fyra olika "dubbla" formuleringar. Med andra ord, det finns fyra teorier som ser väldigt olika ut vid första anblicken (t.ex. de innehåller olika typer av elementära frihetsgrader), men i huvudsak beskriver samma fysik.

"I vårt arbete, vi skulle kunna relatera alla fyra teorierna till de odopade kupraternas mikroskopiska frihetsgrader, Scheurer och Sachdev förklarade. "Det är ganska spännande att se hur abstrakta påståenden om "dualiteter" mellan teorier får en konkret representation i ett verkligt material med direkta konsekvenser för experiment med kondenserad materia. Vi hoppas att insikterna från vårt senaste arbete kommer att visa sig användbara för utvidgningen av det dopade systemet."

Än så länge, teamet av forskare vid Harvard University och University of California kunde ge en genomförbar teoretisk förklaring till varför de odopade kupratföreningarna ger en förbättrad termisk Hall-respons. I deras framtida arbete, de planerar att undersöka detta ämne ytterligare genom att utveckla de fyra olika "dubbla teorier" de föreslog för förbättringsmekanismen för den termiska Hall-effekten.

"Eftersom våra tidigare beräkningar bara är baserade på en beskrivning, vi planerar att undersöka respektive förutsägelser för den termiska Hall-konduktiviteten i de tre andra teorierna; detta förväntas också främja vår förståelse av fysiken bakom de underliggande dualiteterna, ", sade Scheurer och Sachdev. "Ett annat viktigt problem för framtida forskning kommer att utvidga vår analys till det dopade systemet. Detta kommer sannolikt att kasta ljus över pseudogap-fasens natur."

© 2019 Science X Network