[논문 리뷰] Enhanced thermal Hall conductivity below 1 Kelvin in the pyrochlore magnet Yb$_2$Ti$_2$O$_7$

Max Hirschberger, Peter Czajka외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 02.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 1 K 이하의 불완전한 피로클로라이트 자성체 Yb₂Ti₂O₇에서 기록적인 열홀 효과를 관찰하였으며, 상호작용하는 패리메트릭 상태에서 열홀 각도가 약 ∼2 %에 도달하였다. 신호는 약 3 K에서 나타나며, 0.275 K에서 기울어진 자성체 전이 근처에서 사라지고, 낮은 온도에서 날카로운 면모 모드로 인해 부호가 반전되며, 이는 음파 비대칭산란과는 다름없는 면모기반의 홀 효과를 시사한다.

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).

연구 동기 및 목표

• 불완전한 피로클로라이트 Yb₂Ti₂O₇의 저온 영역에서 열홀 전도도를 조사하기 위해.
• 1 K 이하에서 향상된 열홀 효과의 기원을 밝히기 위해 면모와 음파 기여를 구별하기 위해.
• 0.275 K에서의 기울어진 자성체 전이를 통과할 때 열홀 신호의 변화를 검토하기 위해.
• 희토류 피로클로라이트 툦네이트들 사이의 비교 분석을 통해 음파 비대칭산란이 열홀 신호의 근본 원인일 수 없음을 배제하기 위해.
• 낮은 온도에서 열홀 전도도의 부호 반전과 중간 정도의 자기장 조건에서의 특성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 0.29 K 이하의 온도에 도달하기 위해 냉각기계를 사용하여 Yb₂Ti₂O₇에서 열홀 전도도(κ_xy)를 측정하기 위해.
• 자기장 적용을 통해 자성 순서를 조절하고 κ_xy의 자기장 의존적 변화를 조사하기 위해.
• Tb₂Ti₂O₇, Yb₂Ti₂O₇, Y₂Ti₂O₇ 사이의 κ_xx와 κ_xy를 비교하여 음파 기여를 분리하기 위해.
• 비탄성 중성자산란을 통해 저온 및 중간 자기장 조건에서 날카로운 면모 진동을 확인하기 위해.
• 면모-홀 신호를 반정량적으로 분석하여 κ_xy에 대한 기여도를 평가하기 위해.
• κ_xy의 부호 변화와 함께 잘 정의된 면모 모드의 출현을 연관시키기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Yb₂Ti₂O₇에서 1 K 이하에서 향상된 열홀 전도도의 원인은 무엇이며, 이는 면모인지 음파인지에 기인하는가?
• RQ2 0.275 K에서의 기울어진 자성체 전이를 통과할 때 열홀 신호는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 왜 낮은 온도와 중간 자기장 조건에서 열홀 전도도가 부호를 반전하는가?
• RQ4 음파 비대칭산란은 절연체 피로클로라이트 산화물에서 관측된 κ_xy를 설명할 수 있는가?
• RQ5 잘 정의된 면모 모드는 열홀 효과 생성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• Yb₂Ti₂O₇에서 1 K 이하에서 기록적인 열홀 각도 ∼2 %가 관측되었으며, 이는 절연체에서 보고된 최대 값이다.
• 열홀 신호는 상호작용하는 패리메트릭 상태에서 T ∼ 3 K에서 나타나며, 0.275 K에서 기울어진 자성체 전이 근처에서 억제된다.
• 낮은 온도와 중간 자기장 조건에서 κ_xy의 부호가 양에서 음으로 반전되며, 이는 비탄성 중성자산란에서 날카로운 면모 진동의 출현과 동시에 발생한다.
• Tb₂Ti₂O₇, Yb₂Ti₂O₇, Y₂Ti₂O₇ 사이의 κ_xx 비교 분석을 통해 음파 비대칭산란이 열홀 효과의 근본 원인임을 배제할 수 있었다.
• 데이터는 자기적 질서에 의해 억제되고 자기장 조절된 면모 분산에 의해 조절되는 면모 기반의 열홀 효과를 지지한다.
• 이 연구는 냉각기계를 사용하여 0.29 K 이하에서 비제로인 열홀 전도도 측정을 처음으로 보고하였다.