[论文解读] Large Phonon Thermal Hall Conductivity in a Simple Antiferromagnetic Insulator

Lu Chen, Marie-Eve Boulanger+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Theoretical and Computational Physics被引用 4

一句话总结

本研究报告了在绝缘体中测得的最大声子热霍尔电导率——在20 K和15 T条件下，约为1 W/K·m，出现在简单立方反铁磁绝缘体Cu₃TeO₆中。尽管不存在稀土杂质、结构畴或强自旋-晶格耦合，但大的且稳定的$κ_{\rm{xy}}$信号仍存在于奈尔温度以上，表明声子手性源于本征机制，可能为自旋-声子耦合，而非外部散射，暗示声子霍尔效应可能是磁性绝缘体的普遍特性。

ABSTRACT

Phonons are known to generate a thermal Hall effect in certain insulators, including oxides with rare-earth impurities, quantum paraelectrics, multiferroic materials and cuprate Mott insulators. In each case, a special feature of the material is presumed relevant for the underlying mechanism that confers chirality to phonons in a magnetic field. The question is whether a phonon Hall effect is an unusual occurrence - linked to special characteristics such as skew scattering off rare-earth impurities, structural domains, ferroelectricity, ferromagnetism - or a much more common property of insulators than hitherto believed. To help answer this question, we have turned to a simple insulator, with none of the previously encountered special features: the cubic antiferromagnet Cu$_3$TeO$_6$. We find that it has the largest thermal Hall conductivity $κ_{ m{xy}}$ of any insulator so far. We show that this record-high $κ_{ m{xy}}$ signal is due to phonons and it does not require the presence of magnetic order, as it persists above the ordering temperature. We conclude that the phonon Hall effect is likely to be a fairly common property of solids.

研究动机与目标

• 确定声子热霍尔效应是否为与特殊材料特性相关的罕见现象，还是绝缘体的普遍性质。
• 研究在无稀土杂质、结构畴或强自旋-晶格耦合的简单反铁磁绝缘体中，大热霍尔电导率的起源。
• 检验观测到的$κ_{\rm{xy}}$信号是否由声子引起，以及其是否在奈尔温度以上持续存在，以揭示磁序的作用。
• 将声子手性的程度（$\vert \kappa_{\rm{xy}} / \kappa_{\rm{xx}} \vert$）与其他绝缘体进行比较，以区分本征与外部机制。
• 评估在无外部散射效应的情况下，自旋-声子耦合是否为声子手性的合理本征起源。

提出的方法

• 采用熔融法在870 °C下以CuO和TeO₂为原料生长Cu₃TeO₆单晶，随后进行受控冷却以获得高质量样品。
• 将样品切割为矩形板状（2.2 × 1.61 × 0.073 mm³），其表面沿立方晶格的高对称性(100)方向取向。
• 在最高15 T的磁场下，利用标准稳态热流与横向温度梯度技术测量热导率（$\kappa_{\rm{xx}}$）和热霍尔电导率（$\kappa_{\rm{xy}}$）。
• 在包括奈尔温度（$T_{\rm{N}} = 63$ K）以下和以上的一系列温度下进行测量，以探究磁序的作用。
• 将多个绝缘体（包括Sr₂CuO₂Cl₂、Fe₂Mo₃O₈和Tb₂Ti₂O₇）的$\vert \kappa_{\rm{xy}} / \kappa_{\rm{xx}} \vert$比值进行比较，以评估手性程度的普适性。
• 通过与杂质水平相似但霍尔响应截然不同的材料进行经验对比，排除氧空位或稀土杂质引起的非对称散射等外部机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cu₃TeO₆中大的声子热霍尔电导率是否由声子引起，且是否在奈尔温度以上持续存在，表明磁序并非必需？
• RQ2 大$κ_{\rm{xy}}$信号的起源是外部的（如缺陷引起的非对称散射）还是本征的（如与自旋自由度的耦合）？
• RQ3 为何声子手性程度（$\vert \kappa_{\rm{xy}} / \kappa_{\rm{xx}} \vert$）在Cu₃TeO₆和Sr₂CuO₂Cl₂等结构迥异的绝缘体中几乎相同，尽管其杂质散射存在差异？
• RQ4 在类似材料表现出截然不同的霍尔响应的前提下，能否用氧空位或稀土杂质引起的散射等外部机制解释观测到的$κ_{\rm{xy}}$信号？
• RQ5 在无磁性绝缘体中未报告$κ_{\rm{xy}} = 0$的情况下，自旋-声子耦合是否为声子手性的合理本征机制？

主要发现

• 在20 K和15 T条件下，Cu₃TeO₆中的热霍尔电导率$κ_{\rm{xy}}$达到约1 W/K·m，为迄今所有绝缘体中报道的最大值。
• $κ_{\rm{xy}}$信号在奈尔温度（$T_{\rm{N}} = 63$ K）以上仍持续存在，表明长程反铁磁序并非该效应的必要条件。
• 声子手性的程度（以$\vert \kappa_{\rm{xy}} / \kappa_{\rm{xx}} \vert$量化）在Cu₃TeO₆和铜酸盐Sr₂CuO₂Cl₂中完全相同（约3–5 × 10⁻³），尽管后者因更强的杂质散射导致$\kappa_{\rm{xx}}$低50倍。
• 在缺陷浓度差异巨大的材料中手性比值完全相同，排除了氧空位或稀土杂质引起的非对称散射等外部机制作为主导起源的可能性。
• Cu₃TeO₆中无结构畴且无稀土杂质，且$κ_{\rm{xy}}$在$T_{\rm{N}}$以上仍持续存在，强烈表明该效应源于本征耦合，可能与自旋自由度有关。
• 本研究提出，鉴于磁性绝缘体中普遍观测到$κ_{\rm{xy}} \neq 0$，自旋-声子耦合是声子手性本征机制的有力候选。