Effetto Hall Termico. La conducibilità termica di Hall riguarda la corrente termica risultante da un gradiente di temperatura perpendicolare in presenza di un campo magnetico lungo la terza direzione perpendicolare. È un potente strumento sperimentale in quanto fornisce l'accesso a vettori a carica neutra nel sistema. Credito:Samajdar et al. Figura adattata da Phys. Rev. B 99, 165126 (2019).
Qualche mese fa, un team di ricercatori guidati da Louis Taillefer dell'Università di Sherbrooke ha misurato la conduttività termica di Hall in diversi composti di rame, ossigeno e altri elementi che sono anche superconduttori ad alta temperatura noti come "cuprati". In fisica, l'effetto Hall termico descrive il flusso di calore in una direzione trasversale ad un gradiente di temperatura.
In genere, il calore scorre nella stessa direzione del gradiente di temperatura, ma in presenza di un campo magnetico, alcuni flussi in direzione trasversale, pure; questo è noto come effetto Hall termico. Nel loro studio, Taillefer e i suoi collaboratori osservarono che nei cuprati, questo flusso trasversale a volte può essere molto grande, che è stato sorprendente per molti fisici in tutto il mondo.
Ispirato da questa osservazione, un team di ricercatori dell'Università di Harvard e dell'Università della California ha recentemente deciso di indagare ulteriormente. Nella loro carta, pubblicato in Fisica della natura , sono stati in grado di spiegare questi risultati sorprendenti tenendo conto della possibilità che il campo magnetico applicato nell'esperimento potesse portare il materiale vicino a una fase esotica con una grande conduttività termica di Hall.
Essenzialmente, il grande segnale osservato da Taillefer e dai suoi colleghi indica la presenza di altri gradi di libertà mobili che, a differenza dei normali elettroni, non portare una carica elettrica, ma contribuiscono alla conducibilità di Hall termica. Questi ulteriori gradi di libertà sembrano essere presenti solo nello stato di Néel e nel cosiddetto stato 'pseudogap'.
Lo stato di Néel è uno stato in cui c'è un elettrone per sito reticolare quadrato e gli spin degli elettroni sono disposti in direzioni opposte come i quadrati bianchi e neri su una scacchiera. Lo stato pseudogap, d'altra parte, uno degli stati più misteriosi nel diagramma di fase dei superconduttori ad alta temperatura, emerge quando l'ordine di Néel viene distrutto dopando il sistema con buchi (cioè, riducendo la densità elettronica da un elettrone per sito reticolare quadrato).
"Queste osservazioni hanno immediatamente attirato la nostra attenzione poiché i nostri precedenti tentativi teorici di comprendere il diagramma di fase dei cuprati, che sono stati motivati da una serie di misurazioni e simulazioni numeriche molto diverse, coinvolgono naturalmente eccitazioni "spinoni" mobili all'interno della fase pseudogap, "Mathias Scheurer e Subir Sachdev, due dei ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Gli spinon portano la rotazione ma non caricano, e quindi rappresentano una fonte naturale della grande risposta di Hall termica osservata. Eravamo quindi ansiosi di analizzare se queste descrizioni teoriche possono riprodurre quantitativamente i dati di Hall termica del gruppo di Taillefer".
Per indagare se i costrutti teorici che hanno ideato fossero allineati con i dati raccolti da Taillefer e dai suoi colleghi, i ricercatori hanno prima concentrato le loro indagini teoriche sui cuprati non drogati, con un elettrone per sito e ordine Néel. Hanno scelto di studiare questo particolare sistema perché i campioni sperimentali non drogati sono i più puliti, e quindi, le firme sperimentali nei dati di Taillefer sono molto probabilmente intrinseche per i campioni non drogati, piuttosto che una conseguenza di disomogeneità nel sistema. Inoltre, anche le osservazioni raccolte da Taillefer e dal suo team per il sistema non drogato sono molto sorprendenti, poiché hanno minato la precedente comprensione della fase di Néel.
"Sia noi che il gruppo di P. Lee abbiamo concluso dopo indagini dettagliate che la teoria convenzionale delle onde di spin non può riprodurre la grande risposta termica di Hall vista nell'esperimento, " Dissero Scheurer e Sachdev. "Pertanto, si affronta il problema di trovare un meccanismo per l'aumento dell'effetto Hall termico osservato nella fase di Néel, cui ci rivolgiamo nel nostro recente Fisica della natura articolo."
In prossimità del punto critico (punto rosso) tra lo stato di Néel, realizzato nei cuprati non drogati, e una seconda fase (indicata con VBS che sta per legame di valenza solido), è necessario solo un piccolo accoppiamento orbitale per guidare il sistema in una fase liquida di spin chirale (CSL). L'asse orizzontale rappresenta una costante di accoppiamento tra gli spin situati sui siti di rame più vicini. La freccia rossa indica l'impatto del campo magnetico applicato sperimentalmente, guidando lo stato di Néel in prossimità della transizione verso una fase in cui convivono ordine Néel e CSL. Credito:Samajdar et al. Figura adattata da Samajdar et al., Fisica della natura (2019).
Un aspetto chiave della spiegazione dell'effetto Hall termico fornita da Scheurer, Sachdev e i loro colleghi è l'accoppiamento orbitale J ? del campo magnetico. In materiali con interazioni molto forti, come cuprati, questo accoppiamento orbitale è spesso trascurato, poiché ci si aspetta che sia significativamente più debole dell'accoppiamento diretto dello spin al campo magnetico, noto come accoppiamento Zeeman. Però, in prossimità di un punto critico, il suo effetto può essere notevolmente potenziato.
"La nostra teoria è che un piccolo J ? può portare il sistema in una fase liquida di spin chirale (CSL) in prossimità del punto critico, un effetto che ci aspettavamo fosse ulteriormente potenziato in presenza di accoppiamento spin-orbita, " Hanno detto Scheurer e Sachdev. "I CSL sono legati alle fasi di Hall quantistica, con la differenza cruciale che i gradi di libertà mobili non sono elettroni ma spinoni, che trasportano solo rotazione e nessuna carica elettrica. Come tale, non mostrano una risposta di Hall elettrica quantizzata, ma in virtù del trasporto di energia, produrre una risposta termica Hall quantizzata."
La teoria elaborata da Scheurer, Sachdev e i loro colleghi suggeriscono che il campo magnetico applicato negli esperimenti che studiano l'effetto Hall termico guida la fase di Néel in prossimità di un CSL che coesiste con l'ordine di Néel. Nel loro studio, hanno scoperto che sebbene il sistema non drogato rimanesse nella fase di Néel, questa vicinanza produce un'ampia risposta termica Hall simile, ma un po' più piccolo, rispetto a quello osservato nei dati del team di Taillefer. I ricercatori hanno anche osservato che la dipendenza prevista per la conduttività di Hall termica sia dalla temperatura che dal campo magnetico concorda bene con le misurazioni.
La teoria proposta dai ricercatori rappresenta quindi una naturale possibile spiegazione delle sorprendenti osservazioni di Taillefer e dei suoi colleghi. Questa conduttività termica di Hall non può essere spiegata dalla teoria delle onde di spin dello stato di Néel, che in precedenza si riteneva catturasse molto bene la fisica dei composti non drogati.
"Il nostro lavoro indica che le eccitazioni spinoniche devono essere prese in considerazione, anche nella fase di Néel, " Scheurer e Sachdev hanno detto. "Il nostro studio illustra anche che l'accoppiamento orbitale del campo magnetico, anche se dovrebbe essere debole rispetto all'accoppiamento Zeeman, può giocare un ruolo fondamentale».
Oltre a fornire una spiegazione fattibile per i risultati raccolti da Taillefer e dai suoi colleghi, Scheurer, Sachdev e i loro colleghi hanno elaborato una teoria efficace per la transizione tra lo stato di Néel e il CSL. Questa teoria ha quattro diverse formulazioni "doppie". In altre parole, ci sono quattro teorie che a prima vista sembrano molto diverse (ad es. contengono diversi tipi di gradi di libertà elementari), ma essenzialmente descrivono la stessa fisica.
"Nel nostro lavoro, potremmo collegare tutte e quattro le teorie ai microscopici gradi di libertà dei cuprati non drogati, "Spiegarono Scheurer e Sachdev. "È piuttosto eccitante vedere come affermazioni astratte di 'dualità' tra teorie ottengano una rappresentazione concreta in un materiale reale con conseguenze dirette per gli esperimenti sulla materia condensata. Speriamo che le intuizioni del nostro recente lavoro si rivelino utili per l'estensione al sistema drogato".
Finora, il team di ricercatori dell'Università di Harvard e dell'Università della California è stato in grado di fornire una spiegazione teorica praticabile del motivo per cui i composti cuprati non drogati presentano una risposta di Hall termica migliorata. Nel loro lavoro futuro, intendono approfondire questo argomento elaborando le quattro diverse "teorie duali" che hanno proposto per il meccanismo di potenziamento dell'effetto Hall termico.
"Poiché i nostri calcoli precedenti si basano solo su una descrizione, stiamo progettando di esaminare le rispettive previsioni per la conducibilità di Hall termica nelle altre tre teorie; questo dovrebbe anche far avanzare la nostra comprensione della fisica dietro le dualità sottostanti, " Hanno detto Scheurer e Sachdev. "Un altro problema importante per la ricerca futura sarà estendere la nostra analisi al sistema drogato. Questo probabilmente farà luce sulla natura della fase pseudogap".
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