Een paar maanden geleden, een team van onderzoekers onder leiding van Louis Taillefer aan de Universiteit van Sherbrooke heeft de thermische Hall-geleidbaarheid gemeten in verschillende verbindingen van koper, zuurstof en andere elementen die ook hoge-temperatuur-supergeleiders zijn die bekend staan ​​als 'cuprates'. in de natuurkunde, het thermische Hall-effect beschrijft de warmtestroom in een richting dwars op een temperatuurgradiënt.

Over het algemeen, warmte stroomt in dezelfde richting als de temperatuurgradiënt, maar in de aanwezigheid van een magnetisch veld, sommige stromen in de dwarsrichting, te; dit staat bekend als het thermische Hall-effect. In hun studie hebben Taillefer en zijn medewerkers merkten op dat in de cuprates, deze dwarsstroming kan soms erg groot zijn, wat voor veel natuurkundigen wereldwijd verrassend was.

Geïnspireerd door deze observatie, een team van onderzoekers van Harvard University en de University of California is onlangs begonnen om het verder te onderzoeken. In hun krant gepubliceerd in Natuurfysica , ze waren in staat om deze opvallende bevindingen te verklaren door rekening te houden met de mogelijkheid dat het toegepaste magnetische veld in het experiment het materiaal dicht bij een exotische fase met een grote thermische Hall-geleidbaarheid zou kunnen brengen.

Eigenlijk, het grote signaal waargenomen door Taillefer en zijn collega's wijst op de aanwezigheid van andere mobiele vrijheidsgraden die, in tegenstelling tot gewone elektronen, draag geen elektrische lading, maar dragen bij aan de thermische geleidbaarheid van Hall. Deze extra vrijheidsgraden lijken alleen aanwezig te zijn in de staat Néel en in de zogenaamde 'pseudogap'-staat.

De Néel-toestand is een toestand waarin er één elektron per vierkante roosterplaats is en elektronenspins in tegengestelde richtingen zijn gerangschikt, zoals zwarte en witte vierkanten op een schaakbord. De pseudogap-staat, anderzijds, een van de meest mysterieuze toestanden in het fasediagram van supergeleiders bij hoge temperatuur, komt naar voren wanneer de Néel-bestelling wordt vernietigd door het systeem met gaten te dopen (d.w.z. het verminderen van de elektronische dichtheid van één elektron per vierkante roosterplaats).

"Deze waarnemingen trokken onmiddellijk onze aandacht sinds onze eerdere theoretische pogingen om het fasediagram van de cuprates te begrijpen, die werden gemotiveerd door een reeks zeer verschillende metingen en numerieke simulaties, hebben natuurlijk betrekking op mobiele 'spinon'-excitaties in de pseudogap-fase, "Mathias Scheurer en Subir Sachdev, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org. "Spinons dragen spin maar geen lading, en vertegenwoordigen daarom een ​​natuurlijke bron van de waargenomen grote thermische Hall-respons. We wilden daarom graag analyseren of deze theoretische beschrijvingen de thermische Hall-gegevens van de groep van Taillefer kwantitatief kunnen reproduceren."

Om te onderzoeken of de theoretische constructies die ze bedachten overeenkwamen met de gegevens die Taillefer en zijn collega's verzamelden, de onderzoekers richtten hun theoretisch onderzoek eerst op de ongedoteerde cupraten, met één elektron per site en Néel-orde. Ze kozen ervoor om dit specifieke systeem te bestuderen omdat ongedoteerde experimentele monsters de schoonste zijn, en daarom, de experimentele handtekeningen in de gegevens van Taillefer zijn hoogstwaarschijnlijk intrinsiek voor de ongedoteerde monsters, in plaats van een gevolg van inhomogeniteiten in het systeem. In aanvulling, de observaties verzameld door Taillefer en zijn team voor het ongedopte systeem zijn ook zeer verrassend, omdat ze het eerdere begrip van de Néel-fase ondermijnden.

"Zowel wij als de groep van P. Lee concludeerden na gedetailleerd onderzoek dat de conventionele spin-golftheorie de grote thermische Hall-respons die in het experiment werd gezien, niet kan reproduceren, "Zeggen Scheurer en Sachdev. "Daarom, men wordt geconfronteerd met het probleem om een ​​mechanisme te vinden voor het waargenomen versterkte thermische Hall-effect in de Néel-fase, die we behandelen in onze recente Natuurfysica artikel."

Een belangrijk aspect van de verklaring voor het thermische Hall-effect van Scheurer, Sachdev en hun collega's is de orbitale koppeling J _χ van het magnetische veld. In materialen met zeer sterke interacties, zoals kopjes, deze orbitale koppeling wordt vaak verwaarloosd, omdat het naar verwachting aanzienlijk zwakker is dan de directe koppeling van de spin aan het magnetische veld, die bekend staat als Zeeman-koppeling. Echter, in de buurt van een kritiek punt, het effect ervan kan aanzienlijk worden versterkt.

"Onze theorie is dat een kleine J _χ kan het systeem in een chirale spinvloeistof (CSL) fase in de buurt van het kritieke punt drijven - een effect waarvan we verwachtten dat het verder zou worden versterkt in de aanwezigheid van spin-baankoppeling, Scheurer en Sachdev zeiden. "CSL's zijn gerelateerd aan quantum Hall-fasen, met het cruciale verschil dat de mobiele vrijheidsgraden geen elektronen zijn maar spinons, die alleen spin en geen elektrische lading dragen. Als zodanig, ze vertonen geen gekwantiseerde elektrische Hall-respons, maar door energie te dragen, een gekwantiseerde thermische Hall-respons opleveren."

De theorie van Scheurer, Sachdev en hun collega's suggereren dat het magnetische veld dat wordt toegepast in experimenten die het thermische Hall-effect onderzoeken, de Néel-fase in de buurt van een CSL drijft die naast de Néel-orde bestaat. In hun studie hebben ze ontdekten dat hoewel het ongedoteerde systeem in de Néel-fase bleef, deze nabijheid levert een grote thermische Hall-respons op vergelijkbaar, maar wat kleiner, dan die waargenomen in de gegevens van het team van Taillefer. De onderzoekers merkten ook op dat de afhankelijkheid die ze voorspelden voor de thermische Hall-geleidbaarheid van zowel temperatuur als magnetisch veld goed overeenkomt met de metingen.

De door de onderzoekers voorgestelde theorie vormt daarmee een natuurlijke mogelijke verklaring voor de opvallende observaties van Taillefer en zijn collega's. Deze thermische Hall-geleiding kan niet worden verklaard door de spin-golftheorie van de Néel-toestand, waarvan eerder werd aangenomen dat het de fysica van de ongedoteerde verbindingen heel goed weergaf.

"Ons werk geeft aan dat er rekening moet worden gehouden met spinon-excitaties, zelfs in de Néel-fase, " zeiden Scheurer en Sachdev. "Onze studie illustreert ook dat de orbitale koppeling van het magnetische veld, hoewel verwacht zwak te zijn in vergelijking met de Zeeman-koppeling, een sleutelrol kunnen spelen."

Naast het geven van een haalbare verklaring voor de bevindingen verzameld door Taillefer en zijn collega's, Scheurer, Sachdev en hun collega's kwamen met een effectieve theorie voor de overgang tussen de staat Néel en de CSL. Deze theorie kent vier verschillende 'dubbele' formuleringen. Met andere woorden, er zijn vier theorieën die er op het eerste gezicht heel anders uitzien (bijv. ze bevatten verschillende soorten elementaire vrijheidsgraden), maar in wezen dezelfde natuurkunde beschrijven.

"In ons werk we zouden alle vier de theorieën kunnen relateren aan de microscopische vrijheidsgraden van de ongedoteerde cuprates, Scheurer en Sachdev legden uit. "Het is best spannend om te zien hoe abstracte uitspraken van 'dualiteiten' tussen theorieën een concrete weergave krijgen in een reëel materiaal met directe gevolgen voor experimenten met gecondenseerde materie. We hopen dat de inzichten van ons recente werk nuttig zullen zijn voor de uitbreiding naar het gedopeerde systeem."

Tot dusver, het team van onderzoekers van de Harvard University en de University of California was in staat om een ​​haalbare theoretische verklaring te geven waarom de ongedoteerde cupraatverbindingen een verbeterde thermische Hall-respons vertonen. In hun toekomstige werk, ze zijn van plan dit onderwerp verder te onderzoeken door in te gaan op de vier verschillende 'dubbele theorieën' die ze hebben voorgesteld voor het versterkende mechanisme van het thermische Hall-effect.

"Omdat onze eerdere berekeningen slechts op één beschrijving zijn gebaseerd, we zijn van plan om de respectievelijke voorspellingen voor de thermische Hall-geleidbaarheid in de drie andere theorieën te onderzoeken; dit zal naar verwachting ook ons ​​begrip van de fysica achter de onderliggende dualiteiten vergroten, " zeiden Scheurer en Sachdev. "Een ander belangrijk probleem voor toekomstig onderzoek zal zijn om onze analyse uit te breiden tot het gedoteerde systeem. Dit zal waarschijnlijk licht werpen op de aard van de pseudogap-fase."

© 2019 Wetenschap X Netwerk