[論文レビュー] Enhanced thermal Hall conductivity below 1 Kelvin in the pyrochlore magnet Yb$_2$Ti$_2$O$_7$

Max Hirschberger, Peter Czajka+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2019

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ひとこと要約

本研究では、1 K未塔のフラストレーテッドペロブスカイト磁性体Yb₂Ti₂O₇において、相関したパラメトリック相で約2 %に達する記録的な熱ホール電導度が報告されている。信号は約3 Kで出現し、0.275 Kにおけるかがり磁性転移付近で消滅し、最低温度で急峻なマニソンモードに伴い符号が反転する。これは、フォノンのスケイティング散乱とは異なる、マニソン駆動のホール効果を示している。

ABSTRACT

In this letter, we report the gigantic thermal Hall effect $κ_{xy}$ in the low-field correlated-paramagnetic state of the frustrated pyrochlore Yb$_2$Ti$_2$O$_7$. We observed a record magnitude for the thermal Hall angle in an insulator, $\left|κ_{xy} ight|/κ_{xx}\sim 2\,\%$. The signal onsets at $T\sim 3\,$K and is severely weakened around the transition to canted ferromagnetic order at $T_ ext{CFM}=0.275\,$K. Besides the large $κ_{xy}>0$ of the fluctuating regime, a sign change towards negative $κ_{xy}$ occurs at the lowest temperatures and in moderate field, where sharp magnon excitations appear in the inelastic neutron scattering spectra. We analyze the magnon-Hall signal and its suppression with field semi-quantitatively. A contribution of phonon skew scattering to $κ_{xy}$ is ruled out by a comparison of $κ_{xx}$ for Tb-, Yb-, and Y-based rare earth pyrochlore titanates. These results represent the first report of non-vanishing $κ_{xy}$ measured in a dilution refrigerator ($T < 0.29\,$K).

研究の動機と目的

• フラストレーテッドペロブスカイトYb₂Ti₂O₇の低温領域における熱ホール電導度を調査すること。
• 1 K未塔における強化された熱ホール効果の起源を、マニソンとフォノンの寄与の両者から区別すること。
• 0.275 Kにおけるかがり磁性転移に跨る熱ホール信号の変化を検討すること。
• 希土類ペロブスカイトチタネートの比較的分析を通じて、フォノンのスケイティング散乱が熱ホール信号の原因でないことを除外すること。
• 最低温度における熱ホール電導度の符号反転および中程度の磁場下での特性を特徴づけること。

提案手法

• 0.29 K未塔の温度に到達するため、冷却器を用いてYb₂Ti₂O₇における熱ホール電導度（κ_xy）を測定すること。
• 磁場を印加して磁性秩序を調整し、κ_xyの磁場依存的変化を調査すること。
• Tb₂Ti₂O₇、Yb₂Ti₂O₇、Y₂Ti₂O₇の間でκ_xxとκ_xyを比較し、フォノン寄与を分離すること。
• 非弾性中性子散乱を用いて低温および中程度の磁場下での急峻なマニソン励起状態を同定すること。
• マニソン・ホール信号を半定量的に分析し、κ_xyへの寄与を評価すること。
• κ_xyの符号変化と明確なマニソンモードの出現を関連付けること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Yb₂Ti₂O₇における1 K未塔の強化された熱ホール電導度の原因は何か？これはマニソンによるものか、フォノンによるものか？
• RQ2 0.275 Kにおけるかがり磁性転移に跨る熱ホール信号はどのように変化するか？
• RQ3 なぜ最低温度および中程度の磁場下で熱ホール電導度の符号が反転するのか？
• RQ4 フォノンのスケイティング散乱は、絶縁体ペロブスカイト酸化物における観測されたκ_xyを説明できるか？
• RQ5 明確なマニソンモードが熱ホール効果を生成する役割を果たすのはどのようなものか？

主な発見

• Yb₂Ti₂O₇では1 K未塔で記録的な熱ホール角度約2 %が観測され、絶縁体において報告された最大値である。
• 熱ホール信号は、相関したパラメトリック相においてT ∼ 3 Kで出現し、0.275 Kにおけるかがり磁性転移付近で抑制される。
• 最低温度および中程度の磁場下でκ_xyの符号が正から負に反転し、非弾性中性子散乱による急峻なマニソン励起状態の出現と一致する。
• Tb₂Ti₂O₇、Yb₂Ti₂O₇、Y₂Ti₂O₇間のκ_xxの比較により、フォノンのスケイティング散乱は熱ホール効果の原因でないことが除外される。
• データは、磁性秩序によって抑制され、磁場で調整されるマニソン分散によって変調されるマニソン駆動の熱ホール効果を支持する。
• 本研究では、0.29 K未塔で、冷却器を用いた非ゼロの熱ホール電導度測定が初めて報告された。