[논문 리뷰] Thermal Hall effects in quantum magnets

Xiao-Tian Zhang, Yong Gao외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 08.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 347인용 수 7

한 줄 요약

이 리뷰는 양자 스핀 액체 상태에서 열 홀 효과의 미시적 기원을 체계적으로 분석하며, 망반, 트리플론, 스피노ン, 자석 단극 등 잠재적 준입자들이 열 홀 전도도에 기여하는 방식을 연결한다. 이는 낮은 온도에서 열 홀 전도도의 반정수 양자화가 키타예프 스핀 액체의 결정적 징후임을 규명하며, 양자临계점 근처에서의 부호 변화와 수십 배의 크기 변화는 위상적 또는 자성 상전이를 드러낸다.

ABSTRACT

In the recent years, the thermal Hall transport has risen as an important diagnosis of the physical properties of the elementary excitations in various quantum materials, especially among the Mott insulating systems where the electronic transports are often featureless. Here we review the recent development of thermal Hall effects in quantum magnets where all the relevant excitations are charge-neutral. In addition to summarizing the existing experiments, we pay a special attention to the underlying mechanisms of the thermal Hall effects in various magnetic systems, and clarify the connection between the microscopic physical variables and the emergent degrees of freedom in different quantum phases. The external magnetic field is shown to modify the intrinsic Berry curvature properties of various emergent and/or exotic quasiparticle excitations in distinct fashions for different quantum systems and quantum phases, contributing to the thermal Hall transports. These include, for example, the conventional ones like the magnons in ordered magnets, the triplons in dimerized magnets, the exotic and fractionalized quasiparticles such as the spinons and the magnetic monopoles in quantum spin liquids. We review their contribution and discuss their presence in the thermal Hall conductivity in different physical contexts. We expect this review to provide a useful guidance for the physical mechanism of the thermal Hall transports in quantum magnets.

연구 동기 및 목표

• 양자 스핀체계에서 미시적 물리적 변수와 잠재적 자유도 간의 관계를 명확히 하기 위해.
• 정렬된, 무질서한, 스핀 액체 상태를 포함한 다양한 양자 상에서 열 홀 효과의 메커니즘을 설명하기 위해.
• 특히 반정수 양자화와 같은 명확한 실험적 징후를 통해, 키타예프 스핀 액체와 같은 특이한 양자 상을 식별하기 위해.
• 양자 임계점 근처에서의 비정상적인 열 홀 반응을 분석하고, 위상적 상전이에 대한 통찰을 얻기 위해.
• 강한 스핀-격자 결합을 가진 시스템에서 스핀 진동과 격자 진동(포논)의 기여를 구분하기 위해.

제안 방법

• 양자 스핀 체계에서 베리 곡률과 게이지 장 응답의 형식을 사용한 열 홀 전도도 이론적 분석.
• 스핀 액체 상태에서의 스핀온 위상과 게이지 변동을 연구하기 위해 파트론 평균장 이론의 적용.
• 대칭성 고려와 효과적 장 이론을 사용해 정렬된 및 디머라이즈된 스핀체계에서 망반과 트리플론의 열 홀 반응을 분류.
• Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용에 의해 유도된 내재된 내부 플럭스를 가진 U(1) 스핀 액체 상태에서 비가역적 스핀온을 고려.
• α-RuCl₃와 Lu₂V₂O₇와 같은 물질의 실험 데이터를 이론적 예측과 비교하여 열 홀 양자화와 부호 구조에 대한 분석.
• 비자기 및 스핀 결합 절연체에서 포논 기여를 특별히 다루며, 열 홀 효과에 대한 영향을 분리함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전하 중성 준입자들을 가진 양자 스핀체계에서 열 홀 효과의 미시적 기원은 무엇인가?
• RQ2 외부 자기장이 망반 및 스핀온과 같은 잠재적 준입자의 베리 곡률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 열 홀 전도도의 반정수 양자화가 키타예프 스핀 액체 상의 결정적 징후가 될 수 있는가?
• RQ4 양자 임계점 근처에서 열 홀 반응은 어떻게 변화하며, 이러한 변화는 위상적 상전이에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 강한 스핀-격자 결합이 있는 양자 스핀체계에서 포논은 횡방향 열전도도에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 낮은 온도에서 반정수 양자화된 열 홀 전도도는 키타예프 스핀 액체의 강력하고 명확한 징후이며, 영온도 근처에서 망반 기여는 사라지기 때문이다.
• 양자 임계점 근처에서 열 홀 전도도의 부호와 크기는 수십 배의 변화를 겪으며, 이는 위상적 또는 자성 상전이를 나타낸다.
• U(1) 스핀 액체 상태에서는 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용이 내재된 플럭스를 생성하여 베리 곡률을 변화시키고, 비가역적 스핀온에 열 홀 반응을 유도한다.
• SrTiO₃와 Cd-Kapellasite와 같은 비자기 및 스핀 결합 절연체에서 포논의 열 홀 효과는 상당히 크며, 자성 기여와의 분리가 신중히 이루어져야 한다.
• 디머라이즈된 스핀체계에서의 트리플론과 키타예프 물질에서의 스핀온은 각각 다른 게이지 및 기하학적 반응을 통해 열 홀 전도도에 기여하며, 후자는 비틀림 모드를 보인다.
• α-RuCl₃에서의 열 홀 효과는 반정수 양자화와 부호 구조의 이상을 모두 보이며, 이는 비가역적 U(1) 스핀 액체와 자기장 유도 위상적 상의 존재를 시사한다.