Endelig temperatur overtrædelse af den unormale tværgående Wiedemann-Franz lov

Ifølge Wiedemann-Franz (WF) loven, et metals elektriske ledningsevne er forbundet med dets termiske modstykke, forudsat at varmen, der bæres af fononerne, er ubetydelig, og elektronerne ikke lider af uelastisk spredning. I en type II Weyl -halvmetal også kendt som en fjerde fermion, den termiske afhængighed af forholdet mellem elektrisk og termisk ledningsevne fremhæver afvigelser fra Wiedemann-Franz-loven. Fysikere har testet WF -loven i talrige faste stoffer, men har til hensigt at forstå omfanget af dens relevans under unormal tværgående transport og undersøge bølgefunktionens topologiske karakter. I en ny rapport, Liangcai Xu og et internationalt forskerhold inden for kondenseret fysik i Kina, Frankrig, Israel og Tyskland, præsenteret en undersøgelse af det anomale tværgående respons i et ikke -kollineart antiferromagnetisk Weyl semimetal, Mn ₃ Ge. De varierede de eksperimentelle betingelser fra stuetemperatur ned til sub-Kelvin temperatur og observerede endelig-temperatur krænkelse af WF-korrelationen. De krediterede resultatet for et uoverensstemmelse mellem den termiske og elektriske summering af Berry -krumningen (en geometrisk fase opnået i løbet af en cyklus) og ikke på grund af uelastisk spredning. Teamet bakkede op om deres fortolkning med teoretiske beregninger for at afsløre en konkurrence mellem temperaturen og Berry -krumningsfordelingen. Værket er nu offentliggjort den Videnskab fremskridt .

Elektronens Berry-krumning kan resultere i den anomale Hall-effekt (AHE), hvis værtsfaststoffet mangler tids-reverseringssymmetri (bevarelse af entropi). Mens de termoelektriske og termiske modparter til den anomaliske Hall -effekt udforskes sjældnere, de stammer også fra de samme fiktive magnetfelter. Det er endnu ikke fastlagt, hvordan størrelsen af ​​sådanne anomale off-diagonale koefficienter korrelerer med hinanden, og om de etablerede korrelationer mellem almindelige transportkoefficienter fortsat holder. Det er i øjeblikket besværligt at danne en semiklassisk formel for den anomaliske Hall -effekt (AHE), hvilket gør ethvert intuitivt billede af at producere et tværgående elektrisk felt endnu mere udfordrende. I dette arbejde, forskergruppen præsenterede en undersøgelse af et magnetisk faststof, fokuseret på forholdet mellem uregelmæssig elektrisk og termisk Hall -ledningsevne. Xu et al. bestemte variablerne over et bredt temperaturinterval, at inkludere det anomale Lorenz -forhold (L ^EN _ij ) og Sommerfeld -værdien (L ₀ ), der forblev tæt på hinanden, dog startede en afvigelse over 100 K. Holdet hævdede, at observationen indebar en hidtil uobserveret mekanisme til overtrædelse af endelig temperatur i WF-loven. Som resultat, de understøttede eksperimentelle observationer i undersøgelsen med teoretiske beregninger til at identificere Berry -krumningen af ​​Weyl semimetalfamilien (Mn ₃ Ge og Mn ₃ Sn).

Baseret på teoretiske forslag, holdet observerede en stor afvigende Hall -effekt i Mn ₃ X (hvor X svarede til Sn og Ge) -familien af ​​ikke-lineære antiferromagneter under en Néeltemperatur, dvs. afspejler ikke-lineariteten af ​​superparamagnetiske materialer i lavfelter. Resultaterne gav en tydelig profil om Hall -resistivitet og en ligetil metode til at udtrække den unormale ledningsevne med tilflytterne (Mn ₃ Ge og Mn ₃ Sn) inden for det nye felt af antiferromagnetisk spintronik. Forskerne fulgte endda skæbnen for signalerne i Mn ₃ Gå ned til sub-Kelvin temperaturer i undersøgelsen for at forstå fænomenet.

De målte Hall -resistiviteten, Nernst -signal (termoelektrisk eller termomagnetisk fænomen observeret i en prøve, der leder elektricitet - udsat for et magnetfelt) og termisk Hall -resistivitet for at udtrække elektriske/termoelektriske og termiske Hall -ledningsevner. De observerede systemets grundlæggende egenskaber, herunder centrifugering, magnetisering og den elektriske resistivitet for at vise lille variation med temperaturen. Xu et al. detaljerede den uregelmæssige tværgående WF -lov som undersøgelsens hovedfund. For eksempel, under 100 K, det uregelmæssige Lorenz -forhold var fladt med en størrelse, der var lidt større end Sommerfeld -værdien. Over 100 K, det uregelmæssige Lorenz -forhold i Mn ₃ Ge og Mn ₃ Sn opførte sig meget forskelligt, men deres modstand viste kun en lille ændring med temperaturen, i modsætning til elementære ferromagneter.

Da flere tidligere forslag om overtrædelse af WF -loven senere blev tilbagevist, de nye data skulle valideres efter uafhængige kriterier. Forskerne støttede gyldigheden af ​​deres arbejde ved at verificere Kelvin -forholdet (for normale transportkoefficienter) og Bridgman -forholdet (for unormale tværgående koefficienter). Baseret på termodynamikken i irreversible processer, forholdene skulle forblive gyldige uanset mikroskopiske detaljer. Xu et al. indarbejdede derfor de samme data (elektrisk felt og termisk gradient) til termiske og termoelektriske undersøgelser, og den deraf følgende validitet af Kelvin og Bridgman -forhold i arbejdet garanterede gyldigheden af ​​de indsamlede termiske data som yderligere eksperimentel bekræftelse.

WF -loven kan også ophøre med at være gyldig i tilfælde af uelastisk spredning, da uelastisk kollision med lille vinkel kan forfalde momentumstrømmen. Da teamet undersøgte sagen om Mn ₃ X metaller i forhold til WF -loven afsluttede de de dominerende spredningsmekanismer i både Mn ₃ Sn og Mn ₃ Ge skal være baseret på spredning af antisite -defekter (krystallografiske defekter). Der var lidt plads til uelastisk spredning i undersøgelsen, understreger kravet om en alternativ vej mod den observerede overtrædelse af WF -loven. Den resulterende teori viste kvalitativt det forskellige Berry -spektrum i Mn ₃ Sn og Mn ₃ Ge, hvilket fører til forskellig adfærd ved endelig temperatur for de to forbindelser; derved opfylder det alternative rutekrav og yderligere validering af undersøgelsens resultat.

På denne måde, Liangcai Xu og kollegaer målte modparter af den anomaliske Hall -effekt forbundet med strømmen af ​​entropi. De fandt, at WF -lov, der forbinder de termiske og elektriske Hall -effekter, er gyldige ved nul temperatur, selvom der kom en endelig afvigelse over 100 K. Den dominerende spredningseffekt i undersøgelsen var elastisk, og de foreslog afvigelsen som følge af et uoverensstemmelse i termiske og elektriske summeringer af Berry -krumningen sammen med teoretiske beregninger, som derudover understøttede arbejdet.

© 2020 Science X Network