[논문 리뷰] Finite-temperature violation of the anomalous transverse Wiedemann-Franz law in absence of inelastic scattering

Liangcai Xu, Xiaokang Li외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 11.

Topological Materials and Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 비편재성 반도체인 Mn₃Ge에서 열적 비편재성에 의한 비정상 횡방향 위데만-프란츠 법칙 위반을 규명하였으며, 이는 비탄성 산란이 아닌 열적 및 전기적 베리 곡률 합산 간의 불일치에 기인한다. 100 K 이상에서 비정상 루엔츠 비율은 쇼머펠트 값에서 벗어나며, 화학적 피드레벨 근처의 베리 스펙트럼을 민감하게 탐지할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

The Wiedemann-Franz (WF) law links the ratio of electronic charge and heat conductivity to fundamental constants. It has been tested in numerous solids, but the extent of its relevance to the anomalous transverse transport, which represents the topological nature of the wave function, remains an open question. Here we present a study of anomalous transverse response in the noncollinear antiferromagnet Mn$_{3}$Ge extended from room temperature down to sub-Kelvin temperature and find that the anomalous Lorenz ratio remains close to the Sommerfeld value up to 100 K, but not above. The finite-temperature violation of the WF correlation is caused by a mismatch between the thermal and electrical summations of the Berry curvature, rather than the inelastic scattering as observed in ordinary metals. This interpretation is backed by our theoretical calculations, which reveals a competition between the temperature and the Berry curvature distribution. The accuracy of the experiment is supported by the verification of the Bridgman relation between the anomalous Ettingshausen and Nernst effects. Our results identify the anomalous Lorenz ratio as an extremely sensitive probe of Berry spectrum near the chemical potential.

연구 동기 및 목표

• 유한온도에서 비편재성 반도체에서 비정상 횡방향 위데만-프란츠 법칙의 타당성을 조사한다.
• 위데만-프란츠 법칙의 붕괴를 이끄는 메커니즘으로서 비탄성 산란인지, 베리 곡률 역학인지 규명한다.
• 비정상 루엔츠 비율이 화학적 피드레벨 근처의 베리 스펙트럼을 탐지하는 데 사용될 수 있음을 확립한다.
• 실험적 일관성을 확보하기 위해 비정상 에팅슈하우젠 효과와 너른스트 효과 사이의 브리지먼 관계를 검증한다.

제안 방법

• 실온에서 초저온까지 Mn₃Ge의 비정상 횡방향 열전 및 전기적 운반 특성 측정.
• 온도에 따른 비정상 루엔츠 비율 분석을 통해 쇼머펠트 값에서의 이탈 여부를 탐지.
• 비정상 위데만-프란츠 비율을 결정짓는 데 있어 온도와 베리 곡률 분포 간의 경쟁을 이론적으로 모델링.
• 비정상 에팅슈하우젠 효과와 네른스트 효과 간의 브리지먼 관계를 활용하여 측정 정확도를 교차검증.
• 열적 및 전기적 기여의 베리 곡률을 비교하여 위데만-프란츠 법칙 위반의 근본 원인을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비편재성 반도체에서 유한온도에서 비정상 횡방향 위데만-프란츠 법칙이 유지되는가?
• RQ2 비정상 위데만-프란츠 법칙의 위반을 이끄는 메커니즘은 비탄성 산란인지, 베리 곡률 불일치인지?
• RQ3 비정상 루엔츠 비율의 온도 의존성은 피에르 수준 근처의 베리 곡률 분포를 어떻게 반영하는가?
• RQ4 비정상 루엔츠 비율이 위상적 재료에서의 베리 스펙트럼 탐지에 얼마나 민감하게 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 비정상 루엔츠 비율은 100 K 이하에서는 쇼머펠트 값에 근접하게 유지되어 저온에서 거의 이상적인 위데만-프란츠 행동을 나타낸다.
• 100 K 이상에서 비정상 루엔츠 비율은 쇼머펠트 값에서 크게 이탈하며, 유한온도에서의 위데만-프란츠 법칙 위반을 시사한다.
• 위반은 비탄성 산란이 아닌 열적 및 전기적 베리 곡률 합산 간의 불일치로 인해 발생한다.
• 이론적 계산은 온도와 베리 곡률의 공간 분포 간의 경쟁이 관측된 행동의 근본 원인임을 확인한다.
• 비정상 에팅슈하우젠 효과와 네른스트 효과 간의 브리지먼 관계 검증은 실험 정확성과 일관성을 확인한다.
• 비정상 루엔츠 비율은 화학적 피드레벨 근처의 베리 스펙트럼을 매우 민감하게 탐지할 수 있는 도구로 규명된다.