[论文解读] Microscopic origin of an exceptionally large phonon thermal Hall effect from charge puddles in a topological insulator

Rohit Sharma, Yongjian Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2026

Topological Materials and Phenomena被引用 0

一句话总结

论文报告在 TlBi0.15Sb0.85Te2 中出现极大的声子热霍尔效应，归因于电荷斑块与声子的相互作用；一个双温度扩散模型将斑块物理与观测的 κxy 联系起来。

ABSTRACT

We present the experimental observation of a drastically enhanced thermal Hall effect in the topological insulator material TlBi$_{0.15}$Sb$_{0.85}$Te$_2$. Although heat transport is dominated by phonons, moderate magnetic fields generate a thermal Hall ratio ($κ_{xy}/κ_{xx}$) above 2\%, an unprecedented value for a nonmagnetic material. The transverse thermal conductivity $κ_{xy}$ exhibits a pronounced maximum in fields of a few Tesla. This characteristic field dependence allows us to identify the microscopic origin of the thermal Hall effect in this system. Small densities of charged impurities induce locally conducting regions, so-called charge puddles, within the bulk insulating matrix. Via electron-phonon coupling, these charge puddles imprint a large thermal Hall effect onto the phonons accounting for both the magnitude and the magnetic-field dependence of the observed effect.

研究动机与目标

• 推动理解非磁性绝缘体中的大热霍尔效应的机制并识别其微观起源。
• 证明稀散带电杂质会产生电荷斑块，并通过电子-声子耦合在声子热传输中留下显著印记。
• 区分 TlBi0.15Sb0.85Te2 中声子主导的热传输与载流子贡献。
• 建立一个理论框架，将斑块特性与观测到的 κxy(B) 与 κxx 行为联系起来。

提出的方法

• 实验测量纵向与横向热导率 κxx、κxy以及电导率，以估计载流子贡献。
• 用维德曼-弗兰茨定律估算 κxx^{WF} 与 κxy^{WF}，并与测量的 κxx、κxy 进行比较。
• 用单带空穴样Drude模型拟合 κxy(B) 数据，提取有效空穴密度 n 与迁移率 μ。
• 建立一个具有空间非均匀斑块的双温度扩散模型：-κph ∇^2 Tph = α(r)(Tch−Tph) 和 -∇·(κch(r)∇Tch) = α(r)(Tph−Tch)。
• 推导 κxy ≈ ⟨κxy^{ch}(r)⟩，并将 χ⊥ 与斑块内的加热/冷却联系起来，预测 μB 相关的磁场峰值。
• 对斑块中的加热偶极以及它们对声子系统的影响给出解析与数值分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 TlBi0.15Sb0.85Te2 中热霍尔效应的幅度与磁场依赖性是多少？
• RQ2 稀散带电杂质形成的电荷斑块是否能解释拓扑绝缘体中大幅的声子介导 κxy？
• RQ3 斑块的性质（尺寸、密度、迁移率）如何控制观测到的 κxy(B) 与 κxx(B)？
• RQ4 在这一非均匀系统中，Wiedemann-Franz 的预期是否仍然成立，即载流子对 κxy 的贡献？
• RQ5 所观测的机制是该材料家族特有，还是对绝缘体中的声子 THE 更普遍？

主要发现

• 在中等磁场（2–8 T）下，热霍尔比 κxy/κxx 达到约 2% 的比值，且在 50–150 K 的广泛范围内出现。
• κxy(B) 显示出显著的非单调磁场依赖，存在最大值，与典型线性场的声子 THE 信号不同。
• 从电学数据推导的 κxy^{WF}L0T 在 ~70 K 以下可以忽略，表明横向传输以声子为主导。
• 用简单的单带空穴型 Drude 拟合可用有效空穴密度 n ≈ 10^18 cm−3、在斑块内 μ ≈ 几千 cm^2 V−1 s−1 的迁移率来描述 κxy(B)。
• 理论将巨大的 THE 与电荷斑块联系起来：更大、耦合更好的斑块（R_eff ≫ 1）在声子体系中留下加热偶极，产生与 ⟨κchxy⟩ 相符的 κxy，并表现出 μB 相关的行为。
• 估计的斑块参数与先前的光学和传输数据相一致，支持斑块机制作为所观测 THE 的起源。