L'effetto Hall termico (THE) è un fenomeno fisico caratterizzato da piccole differenze trasversali di temperatura che si verificano in un materiale quando una corrente termica lo attraversa e ad esso viene applicato un campo magnetico perpendicolare. Questo effetto è stato osservato in un numero crescente di isolanti, ma la sua fisica sottostante rimane poco compresa.
I ricercatori dell'Università di Sherbrooke in Canada hanno cercato di identificare il meccanismo alla base di questo effetto in diversi materiali. Il loro articolo più recente, pubblicato su Nature Physics , hanno esaminato specificamente questo effetto nell'isolante antiferromagnetico ossido di stronzio iridio (Sr2 IrO4 ).
"La nostra attuale attività di ricerca sul THE negli isolanti è iniziata con la scoperta di un grande THE nei superconduttori cuprati", ha detto a Phys.org Louis Taillefer, coautore dell'articolo.
"Ciò è stata una grande sorpresa per tutti, in particolare il fatto che il grande THE sia persistito fino al doping zero, dove i cuprati sono isolanti Mott. Ciò ha immediatamente suscitato interesse tra vari teorici, tra cui Steve Kivelson a Stanford e Subir Sachdev ad Harvard ."
Poco dopo la loro scoperta, i ricercatori sono stati in grado di determinare che i trasportatori di calore responsabili di questo effetto negli isolanti cuprati sono i fononi, onde di energia vibrazionale atomica oscillatoria. Questi risultati sono stati delineati in un articolo pubblicato su Nature Physics nel 2020.
"L'idea alla base di questo lavoro era di inviare la corrente termica perpendicolare al CuO2 piani, una direzione lungo la quale solo i fononi possono viaggiare, ma non gli elettroni o le eccitazioni legate allo spin," ha detto Taillefer. "Ciò ha dimostrato che i fononi sono i trasportatori di calore rilevanti, come scoperto poco prima dal gruppo di Kamran Behnia nel titanato di stronzio."
I risultati sperimentali del team hanno indicato che i fononi erano alla base del THE osservato negli isolanti cuprati, ma il meccanismo fisico attraverso il quale hanno consentito questo effetto è rimasto sconosciuto. Il loro lavoro ha successivamente ispirato molti fisici teorici a offrire una possibile spiegazione per questo meccanismo, tra cui Kivelson dell'Università di Stanford, Sachdev dell'Università di Harvard, Allan MacDonald della Texas University e Leon Balents del KITP Santa Barbara.
"Il nostro approccio sperimentale è stato quello di cercare il fonone THE in un'ampia varietà di materiali", ha spiegato Taillefer. "Uno di questi materiali è l'isolante antiferromagnetico Cu3 TeO6 . Un altro è l'iridato Sr2 IrO4 , che è l'argomento del nostro ultimo articolo su Nature Physics ."
Nell'ambito del loro recente studio, quindi, Taillefer e i suoi colleghi hanno cercato specificamente l'effetto delle impurità sul THE indotto dal fonone in Sr2 IrO4 . Per fare ciò, la loro collaboratrice Véronique Brouet del Laboratoire de Physique des Solides dell'Université Paris-Saclay ha introdotto nel materiale due tipi di impurità; prima le impurità di rodio (Rh) e poi le impurità di lantanio (La).
"La grande sorpresa è stata l'enorme miglioramento del THE che abbiamo visto quando è stata aggiunta una piccola concentrazione di impurità Rh", ha detto Taillefer. "Abbiamo osservato un aumento di 70 volte con solo il 5% di Rh in sostituzione di Ir. Questa è una forte indicazione che il fonone THE è causato dalla dispersione di fononi da impurità che sono incorporate in un ambiente antiferromagnetico (in questo caso IrO2 livelli)."
Le nuove scoperte raccolte da Taillefer e dai suoi colleghi suggeriscono un possibile meccanismo che potrebbe sostenere il fonone THE osservato in Sr2 IrO4 . Questo meccanismo comporta la dispersione dei fononi da parte delle impurità, possibilmente attraverso processi risonanti come quelli suggeriti da Kivelson o Sachdev. Nel frattempo, i ricercatori intendono continuare la ricerca sull'effetto THE, concentrandosi su vari altri materiali.
"Una direzione per la ricerca futura sarà quella di vedere se i materiali che sono candidati per stati liquidi con spin quantistico generano un THE che non proviene da fononi, ma piuttosto da eccitazioni emergenti esotiche, come fermioni o spinoni di Majorana", ha aggiunto Taillefer.>
"I materiali dei candidati includono RuCl3 e Na2 Cu2 TeO6 . Un'altra direzione, questa volta per il fonone THE, sarà quella di capire come alcuni materiali possano generare un THE quando il campo magnetico applicato è parallelo alla corrente termica; il cosiddetto 'IL planare'. Sconcertante!"
Alla fine del 2023, Taillefer e i suoi colleghi hanno pubblicato vari articoli che sondavano il THE planare in diverse classi di materiali. I loro studi si sono finora concentrati su isolanti antiferromagnetici frustrati, materiali Kitaev e cuprati.
Ulteriori informazioni: A. Ataei et al, Chiralità fononica dallo scattering di impurità nella fase antiferromagnetica di Sr2IrO4, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02384-5.
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