[論文レビュー] Anomalous high-temperature Hall effect on the triangular lattice in Na_xCoO_2

Yayu Wang, N. Rogado+2 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2003

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、200〜500 K の温度範囲で、Na$_x$CoO$_2$（x=0.68）のホール係数 $R_H$ に異常な T線形増加が観測され、ドレーブ値の8倍に達するが、飽和の兆しを示さないことを報告している。この挙動は、熱電力および抵抗率の測定により確認されており、強い電子相関の強力な証拠を示しており、三角格子上の $t$-$J$ モデルにおける $T$-線形 $R_H$ の理論的予測と整合的である。

ABSTRACT

The Hall coefficient R_H of Na_xCoO_2 (x = 0.68) behaves anomalously at high temperatures. From 200 to 500 K, R_H increases linearly with T to 8 times the expected Drude value, with no sign of saturation. Together with the thermopower Q, the behavior of R_H provides firm evidence for strong correlation. We discuss the effect of hopping on a triangular lattice and compare R_H with a recent prediction by Kumar and Shastry.

研究の動機と目的

• Na_xCoO_2（x=0.68）における従来の輸送モデルでは説明できない異常な高温ホール効果の起源を調査すること。
• 観測された $R_H$ の T 線形増加が、強い電子相関に起因するのか、あるいは格子効果に起因するのかを特定すること。
• Kumar と Shastry が予測した、三角格子上の $t$-$J$ モデルにおける高周波ホール係数の $T$-線形性を理論的に検証すること。
• 磁場による熱電力 $Q$ の抑制によって観察されるスピンエントロピー寄与とホール応答を結びつけること。

提案手法

• 2つの異なる実験手法を用いて2つのサンプルで、2〜500 K の温度範囲で面内ホール係数 $R_H$ を測定した。
• 同時に面内抵抗率 $\rho$ および熱電力 $Q$ を測定し、輸送挙動の相関検証およびスピンエントロピー寄与の評価を実施した。
• ホール角 $\theta_H$ を $\cot\theta_H = a + bT^n$ の形で解析し、ホールおよび輸送寿命のべき乗指数を抽出した。
• 高温における $R_H(T)$ データを、三角格子上の $t$-$J$ モデルから得られる理論式 $R_H^* \propto \frac{k_B T}{t} \frac{1+\delta}{\delta(1-\delta)}$ にフィットした。
• 非相互作用極限におけるホール移動度の増幅の起源を、ペイエルズ位相因子および hopping 干渉メカニズムを用いて解釈した。
• 実験的 $R_H(T)$ と $t$-$J$ モデルの予測を比較し、dc領域における理論の妥当性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ Na_xCoO_2 におけるホール係数 $R_H$ は 200〜500 K の範囲で温度に比例して増加し、ドレーブ値の8倍に達するが、飽和の兆しなし？
• RQ2 Na_xCoO_2 における異常なホール応答は、従来のバンドまたは散乱効果ではなく、強い電子相関によってどれほど駆動されているのか？
• RQ3 観測された $T$-線形 $R_H$ 挙動は、Kumar と Shastry が予測した三角格子上の $t$-$J$ モデルにおける理論的予測と一致するか？
• RQ4 低温における磁場による熱電力 $Q$ の抑制は、高温ホール異常とどのように関係しているか？
• RQ5 三角格子の幾何学的構造は、強い相関の存在下で $T$-線形ホール応答を可能にする役割を果たすのか？

主な発見

• ホール係数 $R_H$ は 200〜500 K の範囲で温度に比例して増加し、ドレーブ予測値の8倍に達するが、飽和の兆しなし。
• ホール角 $\cot\theta_H$ は $a + bT^{1.5}$ のべき乗則に従い、ホール寿命指数が1.5であり、輸送寿命指数（1）とは異なるため、強い相関効果を示唆している。
• 高温における $R_H(T)$ 挙動は、三角格子上の $t$-$J$ モデルから得られる理論的予測 $R_H^* \propto \frac{k_B T}{t} \frac{1+\delta}{\delta(1-\delta)}$ と整合的であり、$t \approx 25$ K である。
• 2 K での 10-T の縦磁場により、熱電力 $Q$ はゼロに抑制され、Seebeck係数に支配的なスピンエントロピー寄与がある直接的証拠が得られた。
• 抵抗率 $\rho$ は 2〜100 K で線形的 $T$-依存性を示し、$d\rho/dT = 2.45\ \mu\Omega$ cm/K であり、$T_D = 430$ K で弱いヒステリシス遷移を示し、これは Na 炉の配列に起因するとされる。
• 金属的 $\rho$、大きな $Q$、および異常な $R_H$ の組み合わせは、強い相関が支配するストレンジメタル状態を示しており、超伝導性がこの相に存在しないにもかかわらず、銅酸化物系と類似性を示している。