[論文レビュー] Finite-temperature violation of the anomalous transverse Wiedemann-Franz law in absence of inelastic scattering

Liangcai Xu, Xiaokang Li+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、非加法的反強磁性体Mn₃Geにおける有限温度下での異常横Wiedemann-Franz則の破れが、非弾性散乱ではなく、熱的および電気的Berry曲率の和の不一致に起因することを明らかにした。100 Kを超えると異常Lorenz比はSommerfeld値から著しく逸脱し、化学ポテンシャル付近のBerryスペクトルを感受する高感度プローブとしての役割を果たすことが示された。

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.

研究の動機と目的

• 有限温度下における非加法的反強磁性体における異常横Wiedemann-Franz則の妥当性を調査すること。
• トポロジカル系におけるWF則の破れを支配するのは非弾性散乱かBerry曲率ダイナミクスかを特定すること。
• 異常Lorenz比を化学ポテンシャル付近のBerryスペクトルのプローブとして確立すること。
• 実験的一致性を確認するため、異常エティンゲンハウス効果とネルンスト効果のBridgman関係を検証すること。

提案手法

• 室温から1 K未満の低温までにわたり、Mn₃Geにおける異常横熱電および電気輸送を測定すること。
• 温度依存性を用いた異常Lorenz比の分析により、Sommerfeld値からの逸脱を検出すること。
• 温度とBerry曲率分布の競合が異常WF比を決定する仕組みを理論的モデリングすること。
• 異常エティンゲンハウス効果とネルンスト効果のBridgman関係を用いて、測定の正確性を検証すること。
• 熱的および電気的Berry曲率寄与の比較により、WF則の破れの原因を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非加法的反強磁性体において、有限温度下でも異常横Wiedemann-Franz則は成立するか？
• RQ2 WF則の破れを引き起こすメカニズムは、非弾性散乱かBerry曲率の不一致か？
• RQ3 異常Lorenz比の温度依存性は、フェルミ準拠付近のBerry曲率分布をどのように反映するか？
• RQ4 異常Lorenz比は、トポロジカル材料におけるBerryスペクトルのプローブとして、どの程度有効に機能するか？

主な発見

• 異常Lorenz比は100 KまでSommerfeld値に近く保たれ、低温域ではほぼ理想のWF挙動を示す。
• 100 Kを超えると、異常Lorenz比はSommerfeld値から著しく逸脱し、有限温度下でのWF則の破れを示している。
• この破れは、非弾性散乱ではなく、熱的および電気的Berry曲率の和の不一致に起因する。
• 理論的計算により、温度とBerry曲率の空間的分布の間の競合が、観測された挙動の起源であることが確認された。
• 異常エティンゲンハウス効果とネルンスト効果のBridgman関係の検証により、実験の正確性と一貫性が裏付けられた。
• 異常Lorenz比は、化学ポテンシャル付近のBerryスペクトルを極めて感受しやすいプローブであると特定された。