[论文解读] Anomalous high-temperature Hall effect on the triangular lattice in Na_xCoO_2

Yayu Wang, N. Rogado+2 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2003

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 1被引用 5

一句话总结

该论文报告了在200至500 K温度范围内，Na$_x$CoO$_2$（x=0.68）的霍尔系数 $R_H$ 出现异常的、与温度线性相关的增加，其值达到德鲁德值的8倍且未出现饱和。该行为经热电功率和电阻率测量验证，强烈表明存在强电子关联，且与三角晶格上 $t$-$J$ 模型的理论预测一致，即 $R_H$ 随温度线性变化。

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.

研究动机与目标

• 研究 Na_xCoO_2（x=0.68）中异常高温霍尔效应的起源，该效应违背了常规输运模型。
• 确定观测到的霍尔系数 $R_H$ 随温度线性增加是否源于强电子关联而非晶格效应。
• 检验 Kumar 和 Shastry 提出的在三角晶格上 $t$-$J$ 模型中高频率霍尔系数随温度线性变化的理论预测。
• 将霍尔响应与通过磁场抑制热电功率 $Q$ 观测到的自旋熵贡献联系起来。

提出的方法

• 使用两种不同的实验方法在两个样品上测量了面内霍尔系数 $R_H$ 随温度从2到500 K的变化。
• 同步测量面内电阻率 $\rho$ 和热电功率 $Q$，以交叉验证输运行为并评估自旋熵的贡献。
• 通过 $\cot\theta_H = a + bT^n$ 分析霍尔角 $\theta_H$，以提取霍尔和输运寿命的幂律指数。
• 将高温 $R_H(T)$ 数据拟合至三角晶格上 $t$-$J$ 模型的理论表达式 $R_H^* \propto \frac{k_B T}{t} \frac{1+\delta}{\delta(1-\delta)}$。
• 利用佩尔斯相位因子和跃迁干涉机制，解释非相互作用极限下霍尔迁移率增强的起源。
• 将实验测得的 $R_H(T)$ 与 $t$-$J$ 模型预测进行比较，以评估该理论在直流区域的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在 Na_xCoO_2 中，霍尔系数 $R_H$ 从200至500 K随温度线性增加，达到德鲁德预测值的8倍且无饱和迹象？
• RQ2 Na_xCoO_2 中异常霍尔响应在多大程度上由强电子关联引起，而非传统的能带或散射效应？
• RQ3 观测到的 $T$-线性 $R_H$ 行为是否与 Kumar 和 Shastry 在三角晶格上 $t$-$J$ 模型中的理论预测一致？
• RQ4 低温下磁场抑制热电功率 $Q$ 的行为与高温霍尔异常之间有何关联？
• RQ5 三角晶格几何结构在强关联存在下如何促成 $T$-线性霍尔响应？

主要发现

• 霍尔系数 $R_H$ 从200至500 K随温度线性增加，达到德鲁德预测值的8倍，且无饱和迹象。
• 霍尔角 $\cot\theta_H$ 遵循幂律 $a + bT^{1.5}$，表明霍尔寿命指数为1.5，与输运寿命指数1不同，提示存在强关联效应。
• 高温 $R_H(T)$ 行为与三角晶格上 $t$-$J$ 模型的理论预测 $R_H^* \propto \frac{k_B T}{t} \frac{1+\delta}{\delta(1-\delta)}$ 一致，其中 $t \approx 25$ K。
• 在2 K时，10-T纵向磁场使热电功率 $Q$ 抑制至零，直接证明了自旋熵对塞贝克系数的主导贡献。
• 电阻率 $\rho$ 在2至100 K范围内呈现线性 $T$-依赖性，$d\rho/dT = 2.45\ \mu\Omega$ cm/K，且在 $T_D = 430$ K 处出现弱磁滞转变，归因于 Na 离子有序化。
• 金属性 $\rho$、大 $Q$ 和异常 $R_H$ 共同指向由强关联主导的奇异金属态，尽管该相中无超导性，但其行为与铜氧化物相似。