[论文解读] 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 2

一句话总结

本研究揭示了非共线反铁磁体Mn₃Ge在有限温度下出现的异常横向韦德曼-弗朗兹定律的破坏，其根源在于热与电的贝里曲率求和不匹配，而非非弹性散射。在超过100 K时，异常洛伦兹比偏离了索末菲值，表明其可作为化学势附近贝里谱的敏感探针。

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.

研究动机与目标

• 研究非共线反铁磁体在有限温度下异常横向韦德曼-弗朗兹定律的有效性。
• 确定在拓扑系统中，导致WF定律破坏的机制是非弹性散射还是贝里曲率动力学。
• 确立异常洛伦兹比作为化学势附近贝里谱的探针。
• 通过实验一致性验证异常爱廷豪森效应与能斯特效应之间的布里奇曼关系。

提出的方法

• 从室温至亚开尔文温度，测量Mn₃Ge的异常横向热电与电输运性质。
• 分析异常洛伦兹比随温度的变化，以检测其与索末菲值的偏离。
• 理论建模温度与贝里曲率分布之间的竞争，以确定异常WF比的成因。
• 利用布里奇曼关系交叉验证异常爱廷豪森效应与能斯特效应，确保测量的准确性。
• 比较热与电对贝里曲率的贡献，以识别WF定律破坏的根源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非共线反铁磁体中，异常横向韦德曼-弗朗兹定律在有限温度下是否成立？
• RQ2 导致异常WF定律破坏的机制是什么——非弹性散射还是贝里曲率不匹配？
• RQ3 异常洛伦兹比的温度依赖性如何反映费米能级附近的贝里曲率分布？
• RQ4 异常洛伦兹比在多大程度上可作为拓扑材料中贝里谱的探针？

主要发现

• 异常洛伦兹比在100 K以下保持接近索末菲值，表明在低温下呈现近乎理想的WF行为。
• 在100 K以上，异常洛伦兹比显著偏离索末菲值，表明出现有限温度下WF定律的破坏。
• 该破坏源于热与电的贝里曲率求和之间的不匹配，而非非弹性散射。
• 理论计算证实，温度与贝里曲率空间分布之间的竞争是观察到行为的根源。
• 异常爱廷豪森效应与能斯特效应之间布里奇曼关系的验证，确认了实验的准确性和一致性。
• 异常洛伦兹比被确定为化学势附近贝里谱的极其敏感探针。