[论文解读] Anomalous Nernst and Righi-Leduc effects in Mn$_{3}$Sn: Berry curvature and entropy flow

Xiaokang Li, Xu, Liangcai+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2016

Powder Metallurgy Techniques and Materials被引用 19

一句话总结

本研究探究了非共线反铁磁体Mn₃Sn中的反常Nernst效应与Righi-Leduc效应，证明贝里曲率可产生显著的横向热电与热霍尔响应，且该响应在室温下可被探测。反常电导率符合Wiedemann-Franz定律，证实贝里曲率（而非非弹性散射）驱动了反常霍尔效应，且反常霍尔电导率与热电电导率之比接近k_B/e。

ABSTRACT

We present a study of electric, thermal and thermoelectric response in noncollinear antiferromagnet Mn$_{3}$Sn, which hosts a large Anomalous Hall Effect (AHE). Berry curvature generates off-diagonal thermal(Righi-Leduc) and thermoelectric(Nernst) signals, which are detectable at room temperature and invertible with a small magnetic field. The thermal and electrical Hall conductivities respect the Wiedemann-Franz law, implying that the transverse currents induced by Berry curvature are carried by Fermi surface quasi-particles. In contrast to conventional ferromagnets, the anomalous Lorenz number remains close to the Sommerfeld number over the whole temperature range of study, excluding any contribution by inelastic scattering and pointing to Berry curvature as the unique source of AHE. The anomalous off-diagonal thermo-electric and Hall conductivities are strongly temperature-dependent and their ratio is close to k$_{B}$/e.

研究动机与目标

• 探究非共线反铁磁体Mn₃Sn中反常Nernst效应与Righi-Leduc效应的存在性及其大小，该材料具有较大的反常霍尔效应。
• 确定反常横向输运系数是否由贝里曲率或非弹性散射过程主导。
• 检验Wiedemann-Franz定律在Mn₃Sn中的有效性，并与Fe和Ni等传统铁磁体进行比较。
• 量化反常霍尔电导率与反常热电电导率之间的关系，将其与外尔节点的位置联系起来。

提出的方法

• 在不同磁场和温度条件下，测量Mn₃Sn单晶的纵向与横向输运系数（电阻率、热导率、塞贝克系数）。
• 利用电阻率张量与塞贝克-Nernst张量数据，通过矩阵求逆计算非对角线反常电导率：α_xz ≈ (ρ_zz S_xz - ρ_xz S_zz)/(ρ_xx ρ_zz)。
• 基于横向温度梯度下的热流平衡关系，推导出反常Righi-Leduc热导率：κ_xz ≈ -κ_xx(B)κ_zz(B)ΔT_x(B)t / (I²R)，并从中提取反常Righi-Leduc热导率。
• 采用场冷磁化测量确认在T_N = 420 K时发生磁有序，并在T₁ = 200 K以上观察到弱铁磁剩磁。
• 将Mn₃Sn中的反常洛伦兹数（L^A = α^A² / (σ^A κ)）与Fe和Ni中的值进行比较，以评估非弹性散射的作用。
• 使用理论模型，将反常霍尔电导率与热电电导率之比解释为外尔节点位置的探测工具。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mn₃Sn中的反常Nernst效应是否由贝里曲率引起，且是否可在室温下测量？
• RQ2 Mn₃Sn中的反常热导率与热电导率在多大程度上符合Wiedemann-Franz定律？
• RQ3 在Mn₃Sn中，非弹性散射是否像在传统铁磁体中那样显著贡献于反常霍尔效应？
• RQ4 反常霍尔电导率与反常热电电导率之间的关系是什么？该关系如何揭示外尔节点的位置？
• RQ5 反常霍尔电导率与热电电导率之比能否作为探测底层贝里曲率分布的诊断工具？

主要发现

• Mn₃Sn中的反常Righi-Leduc电导率较大，且在室温下可探测，其大小在宽温度范围内与Wiedemann-Franz定律一致。
• 在整个研究温度范围内，反常洛伦兹数保持接近Sommerfeld值（k_B²/e²），表明非弹性散射不贡献于反常输运，从而证实贝里曲率是反常霍尔效应的唯一来源。
• 反常霍尔电导率（σ^A）与反常热电电导率（α^A）之比在数值上接近k_B/e，支持贝里曲率与横向输运之间存在直接关联。
• 反常非对角线电导率具有强烈的温度依赖性，反常Nernst效应表现出清晰的温度演化行为，与贝里曲率驱动的输运一致。
• Wiedemann-Franz定律在Mn₃Sn中成立，这将反常输运的费米面图像与费米海图像区分开来，后者不一定满足该定律。
• 测得的输运系数与一种由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用稳定、具有三角自旋排列的磁结构一致，且在外磁场下可能存在手性自旋重取向。