[论文解读] Enhanced thermal Hall conductivity below 1 Kelvin in the pyrochlore magnet Yb$_2$Ti$_2$O$_7$

Max Hirschberger, Peter Czajka+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2019

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 32被引用 5

一句话总结

本研究在低于1 K的温度下报告了在几何阻挫的钙钛矿磁体Yb₂Ti₂O₇中热导率的记录性增强，其热霍尔角在关联顺磁相中达到∼2 %。该信号在∼3 K时出现，在0.275 K左右的自旋倾斜铁磁转变处消失，并在最低温下由于尖锐的自旋波模式而发生符号反转，表明这是一种由自旋波驱动的霍尔效应，与声子倾斜散射不同。

ABSTRACT

In this letter, we report the gigantic thermal Hall effect $κ_{xy}$ in the low-field correlated-paramagnetic state of the frustrated pyrochlore Yb$_2$Ti$_2$O$_7$. We observed a record magnitude for the thermal Hall angle in an insulator, $\left|κ_{xy} ight|/κ_{xx}\sim 2\,\%$. The signal onsets at $T\sim 3\,$K and is severely weakened around the transition to canted ferromagnetic order at $T_ ext{CFM}=0.275\,$K. Besides the large $κ_{xy}>0$ of the fluctuating regime, a sign change towards negative $κ_{xy}$ occurs at the lowest temperatures and in moderate field, where sharp magnon excitations appear in the inelastic neutron scattering spectra. We analyze the magnon-Hall signal and its suppression with field semi-quantitatively. A contribution of phonon skew scattering to $κ_{xy}$ is ruled out by a comparison of $κ_{xx}$ for Tb-, Yb-, and Y-based rare earth pyrochlore titanates. These results represent the first report of non-vanishing $κ_{xy}$ measured in a dilution refrigerator ($T < 0.29\,$K).

研究动机与目标

• 研究几何阻挫钙钛矿Yb₂Ti₂O₇在低温区的热霍尔电导率。
• 确定低于1 K时热霍尔效应增强的起源，区分自旋波与声子的贡献。
• 研究热霍尔信号在0.275 K自旋倾斜铁磁转变处的演化行为。
• 通过对比稀土系钙钛矿钛酸盐的分析，排除声子倾斜散射作为热霍尔信号的来源。
• 表征最低温下热霍尔电导率的符号反转现象及其在中等磁场下的行为。

提出的方法

• 使用稀释制冷机测量Yb₂Ti₂O₇中的热霍尔电导率（κ_xy），以实现低于0.29 K的温度范围。
• 施加磁场以调节磁序，探测κ_xy随磁场的演化行为。
• 通过比较Tb₂Ti₂O₇、Yb₂Ti₂O₇和Y₂Ti₂O₇中的κ_xx与κ_xy，分离声子贡献。
• 利用非弹性中子散射识别低温下及中等磁场中的尖锐自旋波激发态。
• 对自旋波-霍尔信号进行半定量分析，评估其对κ_xy的贡献。
• 将κ_xy的符号变化与清晰定义的自旋波模式的出现相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 Yb₂Ti₂O₇在低于1 K时热霍尔电导率增强的原因是什么？其来源是自旋波还是声子？
• RQ2 热霍尔信号在0.275 K的自旋倾斜铁磁转变处如何演化？
• RQ3 为何在最低温及中等磁场下热霍尔电导率发生符号反转？
• RQ4 声子倾斜散射能否解释绝缘钙钛矿氧化物中的观测到的κ_xy？
• RQ5 清晰定义的自旋波模式在生成热霍尔效应中起什么作用？

主要发现

• 在低于1 K的Yb₂Ti₂O₇中观测到记录性热霍尔角∼2 %，为绝缘体中报道的最大值。
• 热霍尔信号在关联顺磁相中于T ∼ 3 K时出现，并在0.275 K自旋倾斜铁磁转变附近被抑制。
• 在最低温及中等磁场下，κ_xy的符号从正值反转为负值，与非弹性中子散射中出现的尖锐自旋波激发态一致。
• 通过比较Tb₂Ti₂O₇、Yb₂Ti₂O₇和Y₂Ti₂O₇中的κ_xx，排除了声子倾斜散射作为热霍尔效应的起源。
• 数据支持一种由自旋波驱动的热霍尔效应，其信号受磁序抑制，并由磁场调控的自旋波色散关系调制。
• 本工作首次在稀释制冷机中实现了低于0.29 K的非零热霍尔电导率测量。