高溫超導體中增強的熱霍爾響應的理論解釋

幾個月前，由舍布魯克大學的路易斯·泰勒弗(Louis Taillefer)領導的一組研究人員測量了幾種銅，氧和其他元素的化合物的高溫霍爾電導率，這些化合物也是高溫超導體，稱為“銅酸鹽”。在物理學中，熱霍爾效應描述的是沿垂直于溫度梯度的方向的熱流。

通常，熱量沿與溫度梯度相同的方向流動，但是在存在磁場的情況下，一些熱量也沿橫向方向流動。這就是所謂的熱霍爾效應。Taillefer和他的合作者在研究中觀察到，在銅酸鹽中，這種橫向流動有時可能非常大，這令全球許多物理學家感到驚訝。

這一觀察啟發(fā)，一組研究人員在美國哈佛大學和加州大學最近著手進一步調查。在他們發(fā)表于《自然物理學》上的論文中，他們通過考慮實驗中施加的磁場可能使材料接近具有大熱霍爾電導率的異質相的可能性，從而能夠解釋這些驚人的發(fā)現。

從本質上講，Taillefer和他的同事觀察到的大信號表明存在其他移動自由度，與通常的電子不同，該自由度不攜帶電荷，但有助于霍爾的熱導率。這些額外的自由度僅似乎是存在于尼爾狀態(tài)和所謂的“贗”狀態(tài)。

奈爾態(tài)是這樣一種狀態(tài)，其中每個方格點有一個電子，并且電子自旋像棋盤上的黑白方格一樣以相反的方向排列。另一方面，偽間隙狀態(tài)是高溫超導體相圖中最神秘的狀態(tài)之一，當通過在系統(tǒng)中注入空穴來破壞Néel階時，即出現了偽間隙狀態(tài)(即，使電子密度每平方降低一個電子)點陣)。

“這些觀察結果立即引起了我們的注意，因為我們先前的理論嘗試是為了了解銅酸鹽的相圖，而這是由一組非常不同的測量和數值模擬所激發(fā)的，自然地涉及到偽間隙相內部的移動'自旋'激發(fā)”，Mathias Scheurer進行這項研究的兩名研究人員Subir Sachdev告訴Phys.org。“Spinons攜帶自旋但沒有電荷，并且因此表示所觀察到的大的熱響應大廳的天然來源。我們因而渴望分析這些理論性描述是否可以定量再現塔爾萊費爾的組的熱霍爾數據”。

為了研究他們設計的理論構造是否與Taillefer和他的同事收集的數據一致，研究人員首先將他們的理論研究集中在未摻雜的銅酸鹽上，每個位點一個電子和Néel級。他們選擇研究此特定系統(tǒng)是因為未摻雜的實驗樣品是最干凈的，因此，Taillefer數據中的實驗特征很可能是未摻雜樣品的固有特征，而不是系統(tǒng)不均勻的結果。此外，Taillefer及其團隊針對未摻雜系統(tǒng)收集的觀察結果也最令人驚訝，因為它們破壞了以前對Néel階段的理解。

Scheurer和Sachdev說：“ 我們和P. Lee的小組經過詳細調查后得出結論，傳統(tǒng)的自旋波理論無法重現實驗中看到的大熱霍爾響應。” “因此，人們面臨的問題是尋找一種能觀察到奈爾相中增強的熱霍爾效應的機理，我們將在最近的《自然物理學》文章中對此進行探討。”

在未摻雜的銅酸鹽中實現的Néel態(tài)和第二相(由VBS表示價鍵固體)之間的臨界點(紅點)附近，只需很小的軌道耦合即可將系統(tǒng)驅動到手性自旋液體(CSL)相。水平軸表示位于下一個相鄰銅位置上的自旋之間的耦合常數。紅色箭頭表示實驗施加的磁場的影響，驅動Néel狀態(tài)接近過渡到Néel級和CSL共存的階段。圖片來源：Samajdar等。該圖改編自Samajdar等人，《自然物理學》(2019)。

Scheurer，Sachdev及其同事提供的熱霍爾效應解釋的一個關鍵方面是磁場的軌道耦合Jχ。在相互作用非常強烈的材料(例如銅酸鹽)中，這種軌道耦合通常被忽略，因為它被認為比自旋與磁場的直接耦合(稱為塞曼耦合)要弱得多。然而，在臨界點附近，其效果可以顯著增強。

“我們的理論是，小的Jχ可以將系統(tǒng)驅動到臨界點附近的手性自旋液體(CSL)相-在自旋軌道耦合存在的情況下，我們希望這種作用會進一步增強，” Scheurer和薩赫杰夫說。“CSL的都涉及到量子霍爾階段，與關鍵區(qū)別在于移動自由度是不電子而是spinons，只攜帶自旋和無電荷。因此，它們不表現出量化電霍爾反應，但由借助攜帶的能量，可以產生量化的熱霍爾響應。”

由Scheurer，Sachdev及其同事設計的理論表明，在研究熱霍耳效應的實驗中應用的磁場將Néel相驅動到與Néel級共存的CSL附近。在他們的研究中，他們發(fā)現，盡管未摻雜的系統(tǒng)仍保留在Néel相中，但這種接近產生的熱霍爾響應與Taillefer團隊的數據相似，但略小。研究人員還觀察到，他們預測的熱霍爾電導率對溫度和磁場的依賴性與測量結果非常吻合。

因此，研究人員提出的理論自然可以解釋Taillefer及其同事的驚人發(fā)現。奈爾態(tài)的自旋波理論無法解釋這種熱霍爾電導率，以前認為它能很好地捕獲未摻雜化合物的物理性質。

Scheurer和Sachdev說：“我們的工作表明，即使在Néel階段，也必須考慮到激子激發(fā)。” “我們的研究還表明，盡管與塞曼耦合相比，磁場的軌道耦合雖然會弱一些，但可以發(fā)揮關鍵作用。”

除了為Taillefer和他的同事們收集到的發(fā)現提供可行的解釋之外，Scheurer，Sachdev和他們的同事們提出了一個有效的理論，以指導內爾州與CSL之間的過渡。該理論有四種不同的“雙重”表述。換句話說，有四種理論乍一看非常不同(例如，它們包含不同類型的基本自由度)，但是本質上描述了相同的物理學。

Scheurer和Sachdev解釋說：“在我們的工作中，我們可以將所有四個理論與未摻雜的銅酸鹽的微觀自由度聯系起來。” “很高興看到理論之間的‘雙重性’的語句是如何抽象與凝聚態(tài)實驗的直接后果真材實料得到具體體現。我們希望我們近期工作的見解將證明是擴展到摻雜有用系統(tǒng)。”

到目前為止，哈佛大學和加利福尼亞大學的研究人員團隊能夠為未摻雜的銅酸鹽化合物為何表現出增強的霍爾熱響應提供了可行的理論解釋。在未來的工作中，他們計劃通過闡述為熱霍爾效應增強機制提出的四種不同的“雙重理論”來進一步研究該主題。

“由于我們以前的計算僅基于一個描述，因此我們計劃在其他三個理論中研究熱霍爾電導率的相應預測;這也有望增進我們對潛在的二元性背后的物理學的理解，” Scheurer和薩赫杰夫說。“未來研究的另一個重要問題將是將我們的分析擴展到摻雜系統(tǒng)。這很可能闡明偽間隙相的性質。”