[논문 리뷰] Large Phonon Thermal Hall Conductivity in a Simple Antiferromagnetic Insulator

Lu Chen, Marie-Eve Boulanger외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 25.

Theoretical and Computational Physics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 단순 입방체 반자성 절연체인 Cu₃TeO₆에서 관측된, 절연체에서 기록된 바 가장 큰 열음향홀 전도도를 보고한다—20 K 및 15 T에서 약 1 W/K·m이다. 희토류 불순물, 구조적 도메인, 강한 스핀-격자 결합의 부재에도 불구하고, 큰 및 안정된 $κ_{\rm{xy}}$ 신호가 네일 온도 이하에서도 유지되며, 이는 음향홀 효과가 외재적 산란 메커니즘 대신 내재된 메커니즘, 즉 스핀-음향 결합에 기인한 것임을 시사한다. 이는 음향홀 효과가 자성 절연체에서 일반적인 성질일 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Phonons are known to generate a thermal Hall effect in certain insulators, including oxides with rare-earth impurities, quantum paraelectrics, multiferroic materials and cuprate Mott insulators. In each case, a special feature of the material is presumed relevant for the underlying mechanism that confers chirality to phonons in a magnetic field. The question is whether a phonon Hall effect is an unusual occurrence - linked to special characteristics such as skew scattering off rare-earth impurities, structural domains, ferroelectricity, ferromagnetism - or a much more common property of insulators than hitherto believed. To help answer this question, we have turned to a simple insulator, with none of the previously encountered special features: the cubic antiferromagnet Cu$_3$TeO$_6$. We find that it has the largest thermal Hall conductivity $κ_{ m{xy}}$ of any insulator so far. We show that this record-high $κ_{ m{xy}}$ signal is due to phonons and it does not require the presence of magnetic order, as it persists above the ordering temperature. We conclude that the phonon Hall effect is likely to be a fairly common property of solids.

연구 동기 및 목표

• 음향홀 열전도도 효과가 특수한 물질적 특성과 연관된 희귀한 현상인지, 아니면 절연체의 일반적 성질인지 규명하는 것.
• 희토류 불순물, 구조적 도메인, 강한 스핀-격자 결합이 없는 단순 반자성 절연체에서 큰 열홀 전도도의 기원을 조사하는 것.
• 관측된 $κ_{\rm{xy}}$ 신호가 음향파에 기인한 것인지, 그리고 네일 온도 이상에서도 유지되는지 확인하여 자성 정렬의 역할을 규명하는 것.
• 다른 절연체들과의 비교를 통해 음향편향의 정도 ($\vert \kappa_{\rm{xy}} / \kappa_{\rm{xx}} \vert$)를 분석하여 내재적 메커니즘과 외재적 메커니즘 간의 차이를 구분하는 것.
• 외재적 산란 효과가 없는 조건에서 스핀-음향 결합이 음향편향의 내재적 기원으로 타당한지 평가하는 것.

제안 방법

• CuO와 TeO₂를 사용하여 870 °C에서 유속법을 통해 Cu₃TeO₆의 단일결정을 성장시켰으며, 고질적 샘플을 확보하기 위해 제어된 냉각을 실시하였다.
• 샘플은 결정의 고대칭 (100) 방향을 따라 정렬된 직육면체 판형(2.2 × 1.61 × 0.073 mm³)으로 절단되었다.
• 자기장 최대 15 T 하에서 정steady 상태 열전류 및 횡방향 온도 기울기 기법을 사용하여 열전도도 ($\kappa_{\rm{xx}}$)와 열홀 전도도 ($\kappa_{\rm{xy}}$)를 측정하였다.
• 네일 온도 ($T_{\rm{N}} = 63$ K) 이하 및 이상의 온도 범위에서 측정하여 자성 정렬의 역할을 탐구하였다.
• Sr₂CuO₂Cl₂, Fe₂Mo₃O₈, Tb₂Ti₂O₇ 등을 포함한 여러 절연체에서 $\vert \kappa_{\rm{xy}} / \kappa_{\rm{xx}} \vert$ 비율을 비교하여 편향 정도의 일반성 여부를 평가하였다.
• 유사한 불순물 농도를 가졌지만 극명하게 다른 홀 반응을 보이는 물질들과의 경험적 비교를 통해 산란 기반 외재적 메커니즘(예: 산소 공석 또는 희토류 불순물에 의한 비대칭 산란)을 배제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cu₃TeO₆에서 큰 음향홀 열전도도는 음향파에 기인한 것인지, 그리고 네일 온도 이상에서도 유지되는가? 이는 자성 정렬이 필수적이지 않음을 시사한다.
• RQ2 큰 $κ_{\rm{xy}}$ 신호의 기원은 외재적(예: 결함에 의한 비대칭 산란)인지, 내재적(예: 스핀 자유도와의 결합)인지 무엇인가?
• RQ3 Cu₃TeO₆와 Sr₂CuO₂Cl₂와 같이 극명하게 다른 절연체들 사이에서 음향편향의 정도 ($\vert \kappa_{\rm{xy}} / \kappa_{\rm{xx}} \vert$)가 거의 동일한 이유는 무엇인가? 불순물 산란의 차이가 있음에도 불구하고.
• RQ4 유사한 물질들이 극명하게 다른 홀 반응을 보이는 데도 불구하고, 관측된 $κ_{\rm{xy}}$ 신호가 산소 공석 또는 희토류 불순물에 의한 산란과 같은 외재적 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 외재적 산란 효과가 없는 조건에서 스핀-음향 결합이 음향편향의 내재적 기원으로 타당한가? 특히 $κ_{\rm{xy}} = 0$인 자성 절연체가 보고된 바가 없기 때문이다.

주요 결과

• Cu₃TeO₆에서의 열홀 전도도 $κ_{\rm{xy}}$는 20 K 및 15 T에서 약 1 W/K·m에 도달하며, 이는 어떤 절연제도 기록된 바 가장 큰 값이다.
• $κ_{\rm{xy}}$ 신호는 네일 온도 ($T_{\rm{N}} = 63$ K) 이상에서도 유지되며, 이는 장거리 반자성 정렬이 효과에 필수적이지 않음을 시사한다.
• 음향편향의 정도를 $\vert \kappa_{\rm{xy}} / \kappa_{\rm{xx}} \vert$로 정량화했을 때, Cu₃TeO₆와 구리산염인 Sr₂CuO₂Cl₂ 사이에서 거의 동일한 값(~3–5 × 10⁻³)을 보이며, 후자는 더 강한 불순물 산란으로 인해 $κ_{\rm{xx}}$가 50배 낮다.
• 불순물 농도가 극명하게 다른 물질들 사이에서 동일한 편향 비율을 보이므로, 산소 공석 또는 희토류 불순물에 의한 비대칭 산란과 같은 외재적 메커니즘이 주요 기원이 아니라는 것을 배제할 수 있다.
• Cu₃TeO₆에 구조적 도메인이 없고 희토류 불순물도 없으며, $T_{\rm{N}}$ 이상에서도 $κ_{\rm{xy}}$가 유지되는 점을 종합적으로 고려할 때, 이 효과는 내재된 결합, 특히 스핀 자유도와의 결합에 기인한 것으로 강력히 시사된다.
• 자성 절연체에서 $κ_{\rm{xy}} \neq 0$가 항상 관측된다는 점을 고려할 때, 스핀-음향 결합은 음향편향의 내재적 기원으로 가장 유력한 후보로 제안된다.