En teoretisk forklaring på en forbedret termisk Hall-respons i høj-temperatur superledere

For et par måneder siden, et team af forskere ledet af Louis Taillefer ved University of Sherbrooke målte den termiske Hall -ledningsevne i flere forbindelser af kobber, ilt og andre elementer, der også er superledere ved høj temperatur kendt som 'cuprates'. I fysikken, den termiske Hall -effekt beskriver varmestrømmen i en retning på tværs af en temperaturgradient.

Generelt, varme strømmer i samme retning som temperaturgradienten, men i nærvær af et magnetfelt, nogle strømninger i tværretningen, også; dette er kendt som den termiske Hall -effekt. I deres undersøgelse, Taillefer og hans samarbejdspartnere observerede, at i cupraterne, denne tværgående strømning kan nogle gange være meget stor, hvilket var overraskende for mange fysikere verden over.

Inspireret af denne observation, et team af forskere ved Harvard University og University of California for nylig satte sig for at undersøge det nærmere. I deres papir, udgivet i Naturfysik , de var i stand til at forklare disse slående fund ved at tage hensyn til muligheden for, at det anvendte magnetfelt i forsøget kunne bringe materialet tæt på en eksotisk fase med en stor termisk Hall -ledningsevne.

I det væsentlige, det store signal observeret af Taillefer og hans kolleger indikerer tilstedeværelsen af ​​andre mobile frihedsgrader, der, i modsætning til sædvanlige elektroner, ikke bære en elektrisk ladning, men bidrager til den termiske Hall -ledningsevne. Disse yderligere frihedsgrader ser kun ud til at være til stede i Néel-staten og i den såkaldte 'pseudogap'-tilstand.

Néel -staten er en tilstand, hvor der er en elektron pr. Kvadratgittersted, og elektronspins er arrangeret i modsatte retninger som sorte og hvide firkanter på et skakbræt. Pseudogap -tilstanden, på den anden side, en af ​​de mest mystiske tilstande i fasediagrammet over superledere ved høj temperatur, dukker op, når Néel -ordenen ødelægges ved at doping af systemet med huller (dvs. reducere den elektroniske densitet fra en elektron pr. kvadratgittersted).

"Disse observationer vakte straks vores opmærksomhed siden vores tidligere teoretiske forsøg på at forstå kopdiagrammernes fasediagram, som blev motiveret af et sæt meget forskellige målinger og numeriske simuleringer, naturligvis involvere mobile 'spinon' -excitationer inde i pseudogapfasen, "Mathias Scheurer og Subir Sachdev, to af forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Spinons bærer spin, men ingen afgift, og repræsenterer derfor en naturlig kilde til det observerede store termiske Hall -respons. Vi var derfor ivrige efter at analysere, om disse teoretiske beskrivelser kvantitativt kan gengive de termiske Hall -data fra Taillefer -gruppen. "

For at undersøge, om de teoretiske konstruktioner, de udtænkte, var i overensstemmelse med dataene indsamlet af Taillefer og hans kolleger, forskerne fokuserede først deres teoretiske undersøgelser på de udopede kuprater, med en elektron pr. websted og Néel -ordre. De valgte at studere dette særlige system, fordi udopede eksperimentelle prøver er de reneste, og dermed, de eksperimentelle signaturer i Taillefers data er sandsynligvis iboende for de udopede prøver, snarere end en konsekvens af inhomogeniteter i systemet. Ud over, observationer indsamlet af Taillefer og hans team til det udopede system er også mest overraskende, da de underminerede den tidligere forståelse af Néel -fasen.

"Både vi og P. Lees gruppe konkluderede efter detaljerede undersøgelser, at konventionel spin-wave-teori ikke kan gengive det store termiske Hall-respons, der ses i eksperimentet, "Scheurer og Sachdev sagde." Derfor, man står over for problemet med at finde en mekanisme til den observerede forbedrede termiske Hall -effekt i Néel -fasen, som vi behandler i vores seneste Naturfysik artikel. "

Et centralt aspekt af forklaringen på den termiske Hall -effekt leveret af Scheurer, Sachdev og deres kolleger er orbitalkoblingen J _χ af magnetfeltet. I materialer med meget stærke interaktioner, såsom kopater, denne kredsløbskobling negligeres ofte, da det forventes at være betydeligt svagere end spinets direkte kobling til magnetfeltet, som er kendt som Zeeman -kobling. Imidlertid, i nærheden af ​​et kritisk punkt, dens virkning kan forstærkes betydeligt.

”Vores teori er, at en lille J _χ kan drive systemet ind i en chiral spin-væske (CSL) fase i nærheden af ​​det kritiske punkt-en effekt, vi forventede at blive yderligere forstærket i nærvær af spin-orbit-kobling, "Scheurer og Sachdev sagde." CSL'er er relateret til quantum Hall -faser, med den afgørende forskel, at de mobile frihedsgrader ikke er elektroner, men snarere spinoner, som kun bærer spin og ingen elektrisk ladning. Som sådan, de udviser ikke et kvantiseret elektrisk Hall -svar, men i kraft af at bære energi, give et kvantiseret termisk Hall -respons. "

Teorien udtænkt af Scheurer, Sachdev og deres kolleger antyder, at det magnetiske felt, der anvendes i eksperimenter, der undersøger den termiske Hall -effekt, driver Néel -fasen i nærheden af ​​en CSL, der sameksisterer med Néel -orden. I deres undersøgelse, de fandt ud af, at selvom det udopede system forblev i Néel -fasen, denne nærhed giver et stort termisk Hall -svar svarende, men noget mindre, end det, der er observeret i dataene fra Taillefer -teamet. Forskerne observerede også, at den afhængighed, de forudsagde for termisk Hall -ledningsevne af både temperatur og magnetfelt, stemmer godt overens med målingerne.

Den teori, forskerne foreslår, repræsenterer således en naturlig mulig forklaring på Taillefer og hans kolleger iøjnefaldende observationer. Denne termiske Hall-ledningsevne kan ikke forklares med spin-wave-teorien om Néel-staten, som tidligere blev antaget at fange de udopede forbindelsers fysik meget godt.

"Vores arbejde indikerer, at spinon -excitationer skal tages i betragtning, selv i Néel -fasen, "Scheurer og Sachdev sagde." Vores undersøgelse illustrerer også, at magnetbanens orbitalkobling, selvom det forventes at være svagt i forhold til Zeeman -koblingen, kan spille en nøglerolle. "

Ud over at give en mulig forklaring på de fund, Taillefer og hans kolleger har indsamlet, Scheurer, Sachdev og deres kolleger kom med en effektiv teori om overgangen mellem Néel -staten og CSL. Denne teori har fire forskellige 'dobbelte' formuleringer. Med andre ord, der er fire teorier, der ser meget forskellige ud ved første øjekast (f.eks. de indeholder forskellige typer af elementære frihedsgrader), men beskriver hovedsageligt den samme fysik.

"I vores arbejde, vi kunne relatere alle fire teorier til de mikroskopiske frihedsgrader for de udopede kuprater, "Scheurer og Sachdev forklarede." Det er ganske spændende at se, hvordan abstrakte udsagn om 'dualiteter' mellem teorier opnår en konkret fremstilling i et reelt materiale med direkte konsekvenser for eksperimenter med kondenseret stof. Vi håber, at indsigten i vores seneste arbejde vil vise sig nyttig for udvidelsen til det dopede system. "

Indtil nu, forskerteamet ved Harvard University og University of California var i stand til at give en levedygtig teoretisk forklaring på, hvorfor de udopede kopratforbindelser frembyder et forbedret termisk Hall -respons. I deres fremtidige arbejde, de planlægger at undersøge dette emne yderligere ved at uddybe de fire forskellige 'dobbelte teorier', de foreslog for forbedringsmekanismen for den termiske Hall -effekt.

"Da vores tidligere beregninger kun er baseret på en beskrivelse, vi planlægger at undersøge de respektive forudsigelser for termisk Hall -ledningsevne i de tre andre teorier; dette forventes også at fremme vores forståelse af fysikken bag de underliggende dualiteter, "Scheurer og Sachdev sagde." Et andet vigtigt problem for fremtidig forskning vil være at udvide vores analyse til det dopede system. Dette vil sandsynligvis kaste lys over arten af ​​pseudogapfasen. "

© 2019 Science X Network