[논문 리뷰] Anomalous high-temperature Hall effect on the triangular lattice in Na_xCoO_2

Yayu Wang, N. Rogado외 2명|arXiv (Cornell University)|2003. 05. 20.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 Na$_x$CoO$_2$ (x=0.68)의 홀 계수 $R_H$가 200에서 500 K 사이에서 이국적인 T-선형 증가를 보이며, 포화되지 않은 채로 드루드 값의 8배에 도달함을 보고한다. 이 행동은 열전력 및 저항도 측정을 통해 확인되었으며, 강한 전자 상호작용을 강력히 시사하며 삼각격자에서의 $t$-$J$ 모델에 대한 이론 예측인 $T$-선형 $R_H$와 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 운반 모델로는 설명할 수 없는 Na_xCoO_2 (x=0.68)의 이국적인 고온 홀 효과의 기원을 조사하는 것.
• 관측된 $R_H$의 T-선형 증가가 강한 전자 상호작용인지 아니면 격자 효과인지 판단하는 것.
• Kumar와 Shastry의 이론 예측, 즉 삼각격자에서의 $t$-$J$ 모델에서 고주파수 홀 계수의 $T$-선형 성질을 검증하는 것.
• 자기장에 의한 열전력 $Q$의 억제를 통해 관측된 스핀 엔트로피 기여와 홀 반응을 연결하는 것.

제안 방법

• 두 개의 샘플에서 두 가지 다른 실험 방법을 사용하여 2에서 500 K 사이의 온도에서 평면 내 홀 계수 $R_H$ 를 측정하였다.
• 운반 거동의 상호검증과 스핀 엔트로피 기여 평가를 위해 동시에 평면 내 저항도 $\rho$ 와 열전력 $Q$ 를 측정하였다.
• 홀 각도 $\theta_H$ 를 $\cot\theta_H = a + bT^n$ 으로 분석하여 홀 및 운반 수명의 비율 법수를 추출하였다.
• 고온의 $R_H(T)$ 데이터를 삼각격자에서의 $t$-$J$ 모델로부터 유도된 이론식 $R_H^* \propto \frac{k_B T}{t} \frac{1+\delta}{\delta(1-\delta)}$ 에 맞추어 분석하였다.
• 비상호작용 한계에서 강화된 홀 이동도의 기원을 해석하기 위해 Peierls 위상 인자와 터널링 간섭 메커니즘을 사용하였다.
• 실험적 $R_H(T)$ 를 $t$-$J$ 모델의 예측과 비교하여 이론의 직류 영역에서의 타당성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 Na_xCoO_2의 홀 계수 $R_H$ 는 200에서 500 K 사이에서 온도에 대해 선형적으로 증가하여 포화되지 않은 채 드루드 값의 8배에 도달하는가?
• RQ2 Na_xCoO_2에서의 이국적인 홀 반응은 전통적인 밴드 또는 산란 효과가 아닌 강한 전자 상호작용에 의해 얼마나 크게 영향을 받는가?
• RQ3 관측된 $T$-선형 $R_H$ 행동은 삼각격자에서의 $t$-$J$ 모델에 대한 Kumar와 Shastry의 이론 예측과 일치하는가?
• RQ4 저온에서 자기장에 의한 열전력 $Q$ 의 억제는 고온 홀 이 anomaly 와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 삼각격자 기하학이 강한 상호작용가운데서 $T$-선형 홀 반응을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 홀 계수 $R_H$ 는 200에서 500 K 사이에서 온도에 대해 선형적으로 증가하여 드루드 예측 값의 8배에 도달하며, 포화 징후 없이 지속된다.
• 홀 각도 $\cot\theta_H$ 는 $a + bT^{1.5}$ 의 거듭제곱 법칙을 따르며, 홀 수명 지수 1.5를 나타내며, 이는 운반 수명 지수 1과 다름을 보여 강한 상관 효과를 시사한다.
• 고온의 $R_H(T)$ 행동은 삼각격자에서의 $t$-$J$ 모델로부터 유도된 이론 예측 $R_H^* \propto \frac{k_B T}{t} \frac{1+\delta}{\delta(1-\delta)}$ 와 일치하며, $t \approx 25$ K 로 추정된다.
• 열전력 $Q$ 는 2 K 에서 10-T의 종방향 자기장에 의해 0으로 억제되며, 이는 Seebeck 계수에 지배적인 스핀 엔트로피 기여를 직접적으로 뒷받침한다.
• 저항도 $\rho$ 는 2에서 100 K 사이에서 선형 $T$-의존성을 보이며 $d\rho/dT = 2.45\ \mu\Omega$ cm/K 이고, $T_D = 430$ K 에서 약간의 히스테리시스 전이가 관측되며, 이는 Na 이온 정렬에 기인한 것으로 추정된다.
• 금속적 $\rho$, 큰 $Q$, 그리고 이국적인 $R_H$ 의 조합은 초기금속 상태를 나타내며, 이는 초전도성의 부재에도 불구하고 컵레이트와 유사한 강한 상관 효과에 의해 지배됨을 시사한다.