Enligt Wiedemann-Franz (WF) lag, en metalls elektriska ledningsförmåga är kopplad till dess termiska motsvarighet, förutsatt att värmen som bärs av fononerna är försumbar och att elektronerna inte utsätts för oelastisk spridning. I en typ II Weyl-halvmetall även känd som en fjärde fermion, det termiska beroendet av förhållandet mellan elektrisk och värmeledningsförmåga framhäver avvikelser från Wiedemann-Franz lag. Fysiker har testat WF-lagen i många fasta ämnen men avser att förstå omfattningen av dess relevans under anomal transversell transport och undersöka vågfunktionens topologiska natur. I en ny rapport, Liangcai Xu och ett internationellt forskarlag inom kondenserad materiens fysik i Kina, Frankrike, Israel och Tyskland, presenterade en studie av det anomala transversella svaret i en icke-kollinär antiferromagnetisk Weyl-halvmetall, Mn ₃ Ge. De varierade de experimentella förhållandena från rumstemperatur ner till sub-Kelvin-temperatur och observerade ändlig temperaturöverträdelse av WF-korrelationen. De krediterade resultatet för en oöverensstämmelse mellan de termiska och elektriska summeringarna av Berry-kurvaturen (en geometrisk fas som förvärvats under loppet av en cykel) och inte på grund av oelastisk spridning. Teamet stödde sin tolkning med teoretiska beräkningar för att avslöja en konkurrens mellan temperaturen och Berry-kurvaturfördelningen. Verket är nu publicerat på Vetenskapens framsteg .

Bärkrökningen av elektroner kan resultera i den anomala Hall-effekten (AHE) om värdens fasta substans saknar tidsomkastande symmetri (bevarande av entropi). Medan de termoelektriska och termiska motsvarigheterna till den anomala Hall-effekten utforskas mer sällan, även de härrör från samma fiktiva magnetfält. Det återstår att fastställa hur storleken på sådana anomala off-diagonala koefficienter korrelerar med varandra och om de etablerade korrelationerna mellan vanliga transportkoefficienter fortsätter att hålla. Det är för närvarande mödosamt att skapa en semiklassisk formel för den anomala Hall-effekten (AHE), vilket gör varje intuitiv bild av att producera ett tvärgående elektriskt fält ännu mer utmanande. I det här arbetet, forskargruppen presenterade en studie av ett magnetiskt fast ämne, fokuserat på förhållandet mellan onormala elektriska och termiska Hall-konduktiviteter. Xu et al. bestämt variablerna över ett brett temperaturområde, att inkludera det anomala Lorenz-förhållandet (L ^A _{I j} ) och Sommerfeld-värdet (L ₀ ), som höll sig nära varandra, dock började en avvikelse över 100 K. Teamet hävdade att observationen innebar en hittills oobserverad mekanism för överträdelse av WF-lagen med ändlig temperatur. Som ett resultat, de stödde experimentella observationer i studien med teoretiska beräkningar för att identifiera Berry-kurvaturen i Weyl-halvmetallfamiljen (Mn) ₃ Ge och Mn ₃ Sn).

Baserat på teoretiska förslag, laget observerade en stor anomal Hall-effekt i Mn ₃ X (där X är lika med Sn och Ge) familj av icke-kollinjära antiferromagneter under en Néel-temperatur, dvs. reflekterar olinjäriteten hos superparamagnetiska material i låga fält. Resultaten gav en distinkt profil på Hall-resistivitet och en enkel metod för att extrahera den anomala konduktiviteten med nykomlingarna (Mn) ₃ Ge och Mn ₃ Sn) inom det framväxande området för antiferromagnetisk spintronik. Forskarna följde till och med signalernas öde i Mn ₃ Gå ner till sub-Kelvin temperaturer i studien för att förstå fenomenet.

De mätte Hall-resistiviteten, Nernst-signal (termoelektriskt eller termomagnetiskt fenomen observerat i ett prov som leder elektricitet – utsatt för ett magnetfält) och termisk Hall-resistivitet för att extrahera elektriska/termoelektriska och termiska Hall-konduktiviteter. De observerade grundläggande egenskaper hos systemet, inklusive spinnstrukturen, magnetisering och den elektriska resistiviteten för att visa liten variation med temperaturen. Xu et al. specificerade den anomala tvärgående WF-lagen som studiens huvudfynd. Till exempel, under 100 K, det anomala Lorenz-förhållandet var platt med en magnitud något större än Sommerfeld-värdet. Över 100 K, det anomala Lorenz-förhållandet i Mn ₃ Ge och Mn ₃ Sn betedde sig väldigt annorlunda men deras resistivitet visade bara en liten förändring med temperaturen, i motsats till elementära ferromagneter.

Eftersom flera tidigare påståenden om brott mot WF-lagen senare motbevisades, de nya uppgifterna måste valideras enligt oberoende kriterier. Forskarna stödde giltigheten av deras arbete genom att verifiera Kelvin-relationen (för normala transportkoefficienter) och Bridgman-relationen (för anomala tvärgående koefficienter). Baserat på termodynamiken för irreversibla processer, relationerna måste förbli giltiga oavsett mikroskopiska detaljer. Xu et al. inkorporerade därför samma data (elektriskt fält och termisk gradient) för termiska och termoelektriska studier och den resulterande giltigheten av Kelvin och Bridgman relationer i arbetet garanterade giltigheten av de insamlade termiska data som ytterligare experimentell bekräftelse.

WF-lagen kan också upphöra att gälla i närvaro av oelastisk spridning, eftersom småvinklar oelastisk kollision kan försämra momentumflödet. När teamet undersökte fallet med Mn ₃ X-metaller i förhållande till WF-lagen drog de slutsatsen de dominerande spridningsmekanismerna i både Mn ₃ Sn och Mn ₃ Ge ska baseras på spridning av antisitedefekter (kristallografiska defekter). Det fanns lite utrymme för oelastisk spridning i studien, som lyfter fram kravet på en alternativ väg mot den observerade överträdelsen av WF-lagen. Den resulterande teorin visade kvalitativt det olika Berry-spektrumet i Mn ₃ Sn och Mn ₃ Ge, vilket leder till olika beteenden vid ändlig temperatur för de två föreningarna; därigenom uppfylla kravet på alternativ väg och ytterligare validera resultatet av studien.

På det här sättet, Liangcai Xu och kollegor mätte motsvarigheter till den anomala Hall-effekten som är förknippad med flödet av entropi. De fann att WF-lag som kopplar samman de termiska och elektriska Hall-effekterna är giltiga vid noll temperatur, även om en ändlig avvikelse uppstod över 100 K. Den dominerande spridningseffekten i studien var elastisk och de föreslog att avvikelsen berodde på en oöverensstämmelse i termiska och elektriska summeringar av Berry-kurvaturen tillsammans med teoretiska beräkningar, som dessutom stödde arbetet.

© 2020 Science X Network