Den termiska halleffekten (THE) är ett fysiskt fenomen som kännetecknas av små tvärgående temperaturskillnader som uppstår i ett material när en termisk ström passerar genom det och ett vinkelrätt magnetfält appliceras på det. Denna effekt har observerats i ett växande antal isolatorer, men dess underliggande fysik är fortfarande dåligt förstådd.
Forskare vid Université de Sherbrooke i Kanada har försökt identifiera mekanismen bakom denna effekt i olika material. Deras senaste artikel, publicerad i Nature Physics , specifikt undersökt denna effekt i den antiferromagnetiska isolatorn strontium iridium oxide (Sr2 IrO4 ).
"Vår nuvarande forskningsaktivitet om THE i isolatorer började med vår upptäckt av en stor THE i cuprate supraledare," sa Louis Taillefer, medförfattare till tidningen, till Phys.org.
"Detta kom som en stor överraskning för alla, särskilt det faktum att den stora THE höll i sig hela vägen till noll doping, där cuprates är Mott-isolatorer. Detta väckte omedelbart intresse bland olika teoretiker, inklusive Steve Kivelson på Stanford och Subir Sachdev på Harvard ."
Strax efter upptäckten kunde forskarna fastställa att de värmebärare som är ansvariga för denna effekt i kupratisolatorer är fononer, vågor av oscillerande atomär vibrationsenergi. Dessa fynd beskrevs i en artikel publicerad i Nature Physics 2020.
"Idén bakom detta arbete var att skicka värmeströmmen vinkelrätt mot CuO2 flygplan, en riktning längs vilken endast fononer kan färdas, men inte elektroner eller spinnrelaterade excitationer," sa Taillefer. "Detta visade att fononer är de relevanta värmebärarna, som hittats precis innan av Kamran Behnias grupp i strontiumtitanat."
Teamets experimentella resultat indikerade att fononer underbyggde THE de observerade i kupratisolatorer, men den fysiska mekanismen genom vilken de möjliggjorde denna effekt förblev okänd. Deras arbete inspirerade sedan många teoretiska fysiker att erbjuda en möjlig förklaring till denna mekanism, inklusive Kivelson vid Stanford University, Sachdev vid Harvard University, Allan MacDonald vid Texas University och Leon Balents vid KITP Santa Barbara.
"Vårt experimentella tillvägagångssätt har varit att söka efter fononen THE i en mängd olika material," förklarade Taillefer. "Ett sådant material är den antiferromagnetiska isolatorn Cu3 TeO6 . En annan är den iridate Sr2 IrO4 , vilket är ämnet för vår senaste artikel i Naturfysik ."
Som en del av deras senaste studie sökte Taillefer och hans kollegor därför specifikt efter effekten av föroreningar på fononinducerad THE i Sr2 IrO4 . För att göra detta introducerade deras samarbetspartner Véronique Brouet vid Laboratoire de Physique des Solides vid Université Paris-Saclay två typer av föroreningar i materialet; först rodium (Rh) föroreningar och sedan lantan (La) föroreningar.
"Den stora överraskningen var den enorma förbättringen av THE som vi såg när en liten koncentration av Rh-föroreningar tillsattes," sa Taillefer. "Vi observerade en 70-faldig ökning med endast 5% av Rh som ersatte Ir. Detta är en stark indikation på att fononen THE orsakas av spridningen av fononer från föroreningar som är inbäddade i en antiferromagnetisk miljö (i detta fall IrO2 lager)."
De nya rönen som samlats in av Taillefer och hans kollegor antyder en möjlig mekanism som kan underbygga fononen THE som observerades i Sr2 IrO4 . Denna mekanism involverar spridning av fononer av föroreningar, möjligen genom resonansprocesser såsom de som föreslagits av Kivelson eller Sachdev. Under tiden planerar forskarna att fortsätta sin forskning om THE-effekten, med fokus på olika andra material.
"En riktning för framtida forskning kommer att vara att se om material som är kandidater för kvantspinnvätsketillstånd genererar en THE som inte kommer från fononer, utan snarare från exotiska framväxande excitationer, såsom Majorana-fermioner eller spinoner," tillade Taillefer.
"Kandidatmaterial inkluderar RuCl3 och Na2 Cu2 TeO6 . En annan riktning, denna gång för fononen THE, kommer att vara att förstå hur vissa material kan generera en THE när det applicerade magnetfältet är parallellt med värmeströmmen; den så kallade 'plana THE.' Förbryllande!"
I slutet av 2023 publicerade Taillefer och hans kollegor olika artiklar som undersökte den plana THE i olika materialklasser. Deras studier har hittills fokuserat på frustrerade antiferromagnetiska isolatorer, Kitaev-material och kuprater.
Mer information: A. Ataei et al, Phonon-kiralitet från föroreningsspridning i den antiferromagnetiska fasen av Sr2IrO4, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02384-5.
Journalinformation: Naturfysik
© 2024 Science X Network
