Coefficienti trasversali anomali, definizioni, e profili:componenti fuori diagonale dei tre tensori di conducibilità [elettrico (σ̄ ), termoelettrico (ᾱ ), e termica (κ̄ )] può essere finita in assenza di campo magnetico. Come mostrato nei tre pannelli di sinistra, si collegano a quattro vettori, che sono correnti di densità di carica (J→), campo elettrico (E→), gradiente termico (∇→T), e corrente di densità termica (JQ−→). (A) Resistività di Hall (ρzx). (B) Conducibilità di Hall (σzx) estratta da ρzx, xx, e zz. (C) Segnale di Nernst (Szx). (D) Conducibilità termoelettrica trasversale (αzx) estratta da Szx, sx, xx, zz, e zx. (E) Resistività di Hall termica (Wzx). (F) Conducibilità termica di Hall o coefficiente di Righi-Leduc (κzx) estratto dalle resistività termiche fuori diagonale e diagonale. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz3522
Secondo la legge Wiedemann-Franz (WF), la conduttività elettrica di un metallo è legata alla sua controparte termica, purché il calore trasportato dai fononi sia trascurabile e gli elettroni non subiscano scattering anelastico. In un semimetallo Weyl di tipo II noto anche come quarto fermione, la dipendenza termica del rapporto tra conducibilità elettrica e termica evidenzia deviazioni dalla legge di Wiedemann-Franz. I fisici hanno testato la legge WF in numerosi solidi, ma intendono comprendere l'entità della sua rilevanza durante il trasporto trasversale anomalo e investigare la natura topologica della funzione d'onda. In un nuovo rapporto, Liangcai Xu e un team di ricerca internazionale in fisica della materia condensata in Cina, Francia, Israele e Germania, ha presentato uno studio sulla risposta trasversale anomala in un semimetallo Weyl antiferromagnetico non collineare, mn 3 Ge. Hanno variato le condizioni sperimentali dalla temperatura ambiente fino alla temperatura sub-Kelvin e hanno osservato la violazione a temperatura finita della correlazione WF. Hanno attribuito il risultato a una mancata corrispondenza tra le somme termiche ed elettriche della curvatura di Berry (una fase geometrica acquisita nel corso di un ciclo) e non a causa di dispersione anelastica. Il team ha supportato la loro interpretazione con calcoli teorici per rivelare una competizione tra la temperatura e la distribuzione della curvatura di Berry. L'opera è ora pubblicata su Progressi scientifici .
La curvatura di Berry degli elettroni può provocare l'effetto Hall anomalo (AHE) se il solido ospite manca di simmetria di inversione temporale (conservazione dell'entropia). Mentre le controparti termoelettriche e termiche dell'effetto Hall anomalo vengono esplorate meno frequentemente, anch'essi derivano dagli stessi campi magnetici fittizi. Resta da determinare come le grandezze di tali coefficienti fuori diagonali anomali si correlino tra loro e se le correlazioni stabilite tra i coefficienti di trasporto ordinario continuino a valere. È attualmente laborioso formare una formula semiclassica dell'effetto Hall anomalo (AHE), rendendo così ancora più difficile qualsiasi immagine intuitiva della produzione di un campo elettrico trasversale. In questo lavoro, il gruppo di ricerca ha presentato uno studio su un solido magnetico, focalizzata sulla relazione tra conducibilità di Hall elettrica e termica anomale. Xu et al. determinato le variabili in un ampio intervallo di temperature, per includere il rapporto di Lorenz anomalo (L UN ij ) e il valore di Sommerfeld (L 0 ), che sono rimasti vicini l'uno all'altro, tuttavia una deviazione è iniziata al di sopra di 100 K. Il team ha affermato che l'osservazione implicava un meccanismo finora non osservato per la violazione a temperatura finita della legge WF. Di conseguenza, hanno supportato le osservazioni sperimentali nello studio con calcoli teorici per identificare la curvatura di Berry della famiglia dei semimetalli Weyl (Mn 3 Ge e Mn 3 Sn).
antiferromagnetico, sporco, e correlato. (A) Uno schizzo della tessitura magnetica di Mn3Ge, che mostra l'orientamento degli spin degli atomi di Mn. Rosso e blu rappresentano due piani adiacenti. (B) Dipendenza dalla temperatura della magnetizzazione con temperatura di Néel visibile a 370 K. emu, unità elettromagnetica. (C) Dipendenza dalla temperatura della resistività lungo due orientamenti. (D) Il coefficiente di Seebeck, S, in funzione della temperatura. (E) Calore specifico a bassa temperatura, C/T, in funzione di T2. L'estrapolazione a T =0 produce γ =24,3 mJ mol−1 K−2. (F) Grafico del valore assoluto di S/T rispetto a per un numero di metalli correlati tra cui Mn3X e MnSi. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz3522
Sulla base di proposte teoriche, il team ha osservato un grande effetto Hall anomalo in Mn 3 X (dove X è uguale a Sn e Ge) famiglia di antiferromagneti non collineari al di sotto di una temperatura di Néel, cioè che riflette la non linearità dei materiali superparamagnetici in campi bassi. I risultati hanno fornito un profilo distinto sulla resistività di Hall e un metodo semplice per estrarre la conducibilità anomala con i nuovi arrivati (Mn 3 Ge e Mn 3 Sn) nel campo emergente della spintronica antiferromagnetica. Gli scienziati hanno persino seguito il destino dei segnali in Mn 3 Scendi alle temperature sub-Kelvin nello studio per capire il fenomeno.
Legge WF trasversale anomala. Dipendenza dalla temperatura della conduttività di Hall anomala σAzx (A), la conducibilità termica anomala di Hall divisa per la temperatura κAzx/T (B), e (C) il rapporto di Lorenz anomalo κAzx/σAzxT. Simboli diversi vengono utilizzati per i dati ottenuti con due diverse configurazioni:termometri resistivi (diamanti) e termocoppie (cerchi). I simboli delle stelle si riferiscono a una terza serie di dati ottenuti su un altro campione misurato fino a temperature inferiori al kelvin. La linea continua orizzontale segna L0 =2,44 × 10-8 V2 K-2. La deviazione tra L e L0 inizia a T> 100 K ed è concomitante con la diminuzione di σAzx. (D) Dipendenza dalla temperatura del rapporto di Lorenz anomalo in Mn3Ge e in Mn3Sn. Mn3Ge #3 mostra una ripresa ad alta temperatura. I dati della Sala sono disponibili nei Materiali Supplementari. (E) Confronto della loro resistività nel piano. La grande deviazione dalla legge WF in Mn3Ge si verifica nonostante il fatto che la dipendenza dalla temperatura della sua resistività sia ancora più modesta di quella in Mn3Sn. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz3522
Hanno misurato la resistività di Hall, Segnale di Nernst (fenomeno termoelettrico o termomagnetico osservato in un campione che conduce elettricità, soggetto a un campo magnetico) e resistività di Hall termica per estrarre conduttività di Hall elettrica/termoelettrica e termica. Hanno osservato le proprietà di base del sistema, compresa la trama di spin, magnetizzazione e la resistività elettrica per mostrare piccole variazioni con la temperatura. Xu et al. dettagliato l'anomala legge trasversale WF come il risultato principale dello studio. Ad esempio, sotto i 100 K, il rapporto di Lorenz anomalo era piatto con una grandezza leggermente maggiore del valore di Sommerfeld. Sopra i 100 K, il rapporto di Lorenz anomalo in Mn 3 Ge e Mn 3 Sn si è comportato in modo molto diverso ma la loro resistività ha mostrato solo un leggero cambiamento con la temperatura, a differenza dei ferromagneti elementari.
Effetti anomali di Nernst ed Ettingshausen e relazione di Bridgman. (A) Il campo elettrico trasversale creato da un gradiente di temperatura longitudinale finito in funzione del campo magnetico (effetto Nernst). (B) Il gradiente termico trasversale prodotto da una corrente di carica longitudinale finita (effetto Ettingshausen) alla stessa temperatura. I riquadri mostrano configurazioni sperimentali. (C) La dipendenza dalla temperatura dei coefficienti di Nernst anomalo (SAzx) e di Ettingshausen (ϵAzx) anomalo. ϵAzx e SAzxT/κxx rimangono uguali come previsto dalla relazione di Bridgman. (D ed E) Dipendenza dalla temperatura di σAzx e αAzx estratti dal segnale di Hall e dal segnale di Nernst SAzx. (F) L'evoluzione del rapporto di αAzx/σAzx con la temperatura. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz3522
Poiché diverse precedenti proposizioni sulla violazione della legge WF sono state successivamente confutate, i nuovi dati dovevano essere convalidati da criteri indipendenti. Gli scienziati hanno sostenuto la validità del loro lavoro verificando la relazione di Kelvin (per coefficienti di trasporto normali) e la relazione di Bridgman (per coefficienti trasversali anomali). Basandosi sulla termodinamica dei processi irreversibili, le relazioni dovevano rimanere valide indipendentemente dai dettagli microscopici. Xu et al. quindi incorporato gli stessi dati (campo elettrico e gradiente termico) per studi termici e termoelettrici e la conseguente validità delle relazioni Kelvin e Bridgman nel lavoro ha garantito la validità dei dati termici raccolti come ulteriore conferma sperimentale.
Contrasto dello spettro teorico di Berry in Mn3Ge e in Mn3Sn. La curvatura teorica di Berry a temperatura zero σ∼zx(μ) (A e B) e il rapporto di Lorenz anomalo LAzx (C e D). Il punto neutro di carica è impostato a zero. Il verde, rosso, e le linee blu rappresentano μ=0, 140, e 180 meV, rispettivamente. Le linee nere orizzontali tratteggiate rappresentano L0 in (C) e (D). Nella struttura a bande (E e F), il colore indica il valore di curvatura della bacca. Le frecce blu indicano due punti Weyl tra la banda di conduzione più bassa e la seconda più bassa. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz3522
La legge WF può cessare di essere valida anche in presenza di scattering anelastico, poiché l'urto anelastico a piccolo angolo può far decadere il flusso di quantità di moto. Quando il team ha esaminato il caso di Mn 3 X metalli rispetto alla legge WF hanno concluso i meccanismi di scattering dominanti sia in Mn 3 Sn e Mn 3 Ge si basa sulla dispersione dei difetti antisito (difetti cristallografici). C'era poco spazio per la dispersione anelastica nello studio, evidenziando la necessità di un percorso alternativo verso la constatata violazione della legge WF. La teoria risultante ha mostrato qualitativamente il diverso spettro di Berry in Mn 3 Sn e Mn 3 Ge, che portano a comportamenti diversi a temperatura finita per i due composti; soddisfacendo così il requisito della via alternativa e convalidando ulteriormente l'esito dello studio.
In questo modo, Liangcai Xu e colleghi hanno misurato le controparti dell'effetto Hall anomalo associato al flusso di entropia. Hanno scoperto che la legge WF che collega gli effetti Hall termico ed elettrico è valida a temperatura zero, sebbene sia emersa una deviazione finita superiore a 100 K. L'effetto di dispersione dominante nello studio era elastico e hanno proposto che la deviazione derivi da una mancata corrispondenza nelle somme termiche ed elettriche della curvatura di Berry insieme a calcoli teorici, che ha ulteriormente sostenuto il lavoro.
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