Het thermische hall-effect (THE) is een fysisch fenomeen dat wordt gekenmerkt door kleine transversale temperatuurverschillen die optreden in een materiaal wanneer er een thermische stroom doorheen gaat en er een loodrecht magnetisch veld op wordt aangelegd. Dit effect is bij een groeiend aantal isolatoren waargenomen, maar de onderliggende fysica ervan blijft nog steeds slecht begrepen.

Onderzoekers van de Université de Sherbrooke in Canada hebben geprobeerd het mechanisme achter dit effect in verschillende materialen te identificeren. Hun meest recente artikel, gepubliceerd in Nature Physics , onderzocht dit effect specifiek in de antiferromagnetische isolator strontium-iridiumoxide (Sr₂ IrO₄ ).

"Onze huidige onderzoeksactiviteiten naar de THE in isolatoren begonnen met onze ontdekking van een grote THE in cuprate-supergeleiders", vertelde Louis Taillefer, co-auteur van het artikel, aan Phys.org.

“Dit kwam voor iedereen als een grote verrassing, vooral het feit dat de grote THE doorging tot nul doping, waar cuprates Mott-isolatoren zijn. Dit wekte onmiddellijk interesse onder verschillende theoretici, waaronder Steve Kivelson van Stanford en Subir Sachdev van Harvard. ."

Kort na hun ontdekking konden de onderzoekers vaststellen dat de warmtedragers die verantwoordelijk zijn voor dit effect in cuprate-isolatoren fononen zijn, golven van oscillerende atoomtrillingsenergie. Deze bevindingen zijn uiteengezet in een artikel gepubliceerd in Nature Physics in 2020.

"Het idee achter dit werk was om de warmtestroom loodrecht op de CuO₂ te sturen vlakken, een richting waarlangs alleen fononen kunnen reizen, maar geen elektronen of spin-gerelateerde excitaties, 'zei Taillefer.' Dit toonde aan dat fononen de relevante warmtedragers zijn, zoals net eerder ontdekt door Kamran Behnia's groep in strontiumtitanaat. P>

De experimentele resultaten van het team gaven aan dat fononen ten grondslag lagen aan de THE die ze in cuprate-isolatoren waarnamen, maar het fysieke mechanisme waardoor ze dit effect mogelijk maakten bleef onbekend. Hun werk inspireerde vervolgens veel theoretische natuurkundigen om een ​​mogelijke verklaring voor dit mechanisme te bieden, waaronder Kivelson van Stanford University, Sachdev van Harvard University, Allan MacDonald van Texas University en Leon Balents van KITP Santa Barbara.

"Onze experimentele aanpak was het zoeken naar het fonon THE in een grote verscheidenheid aan materialen", legt Taillefer uit. "Eén zo'n materiaal is de antiferromagnetische isolator Cu₃ TeO₆ . Een andere is de iridaat Sr₂ IrO₄ , het onderwerp van ons nieuwste artikel in Natuurfysica ."

Als onderdeel van hun recente onderzoek hebben Taillefer en zijn collega's daarom specifiek gezocht naar het effect van onzuiverheden op de fonon-geïnduceerde THE in Sr₂ IrO₄ . Om dit te doen, introduceerde hun medewerker Véronique Brouet van het Laboratoire de Physique des Solides van de Université Paris-Saclay twee soorten onzuiverheden in het materiaal; eerst rhodium (Rh) onzuiverheden en vervolgens lanthaan (La) onzuiverheden.

"De grote verrassing was de enorme verbetering van de THE die we zagen toen een kleine concentratie Rh-onzuiverheden werd toegevoegd," zei Taillefer. "We hebben een 70-voudige toename waargenomen waarbij slechts 5% Rh Ir vervangt. Dit is een sterke indicatie dat het fonon THE wordt veroorzaakt door de verstrooiing van fononen door onzuiverheden die zijn ingebed in een antiferromagnetische omgeving (in dit geval de IrO ₂ lagen)."

De nieuwe bevindingen verzameld door Taillefer en zijn collega's wijzen op een mogelijk mechanisme dat ten grondslag zou kunnen liggen aan het fonon THE dat wordt waargenomen in Sr₂ IrO₄ . Dit mechanisme omvat de verstrooiing van fononen door onzuiverheden, mogelijk via resonante processen zoals die voorgesteld door Kivelson of Sachdev. Ondertussen zijn de onderzoekers van plan hun onderzoek naar het THE-effect voort te zetten, waarbij ze zich op verschillende andere materialen zullen concentreren.

"Eén richting voor toekomstig onderzoek zal zijn om te zien of materialen die kandidaat zijn voor vloeibare quantum-spintoestanden een THE genereren die niet afkomstig is van fononen, maar eerder van exotische opkomende excitaties, zoals Majorana-fermionen of spinonen," voegde Taillefer eraan toe.

"Kandidaatmaterialen omvatten RuCl₃ en Na₂ Cu₂ TeO₆ . Een andere richting, dit keer voor het fonon THE, zal zijn om te begrijpen hoe sommige materialen een THE kunnen genereren wanneer het aangelegde magnetische veld evenwijdig is aan de warmtestroom; de zogenaamde 'planaire THE'. Verbijsterend!"

Eind 2023 publiceerden Taillefer en zijn collega's verschillende artikelen waarin ze de vlakke THE in verschillende materiaalklassen onderzochten. Hun onderzoek richtte zich tot nu toe op gefrustreerde antiferromagnetische isolatoren, Kitaev-materialen en cuprates.

Meer informatie: A. Ataei et al, Phonon-chiraliteit door verstrooiing van onzuiverheden in de antiferromagnetische fase van Sr2IrO4, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02384-5.

Journaalinformatie: Natuurfysica

© 2024 Science X Netwerk