[论文解读] Thermal Hall effects in quantum magnets

Xiao-Tian Zhang, Yong Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2023

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 347被引用 7

一句话总结

本综述系统分析了量子磁体中热霍尔效应的微观起源，将涌现的准粒子（如自旋波、三重态激发、自旋on和磁单极子）与它们对热霍尔电导率的特定贡献联系起来。研究确立了在低温下热霍尔电导率的半整数量子化是基塔耶夫自旋液体的决定性特征，而量子临界点附近出现的符号变化和数量级跃迁则揭示了拓扑相变和磁性相变。

ABSTRACT

In the recent years, the thermal Hall transport has risen as an important diagnosis of the physical properties of the elementary excitations in various quantum materials, especially among the Mott insulating systems where the electronic transports are often featureless. Here we review the recent development of thermal Hall effects in quantum magnets where all the relevant excitations are charge-neutral. In addition to summarizing the existing experiments, we pay a special attention to the underlying mechanisms of the thermal Hall effects in various magnetic systems, and clarify the connection between the microscopic physical variables and the emergent degrees of freedom in different quantum phases. The external magnetic field is shown to modify the intrinsic Berry curvature properties of various emergent and/or exotic quasiparticle excitations in distinct fashions for different quantum systems and quantum phases, contributing to the thermal Hall transports. These include, for example, the conventional ones like the magnons in ordered magnets, the triplons in dimerized magnets, the exotic and fractionalized quasiparticles such as the spinons and the magnetic monopoles in quantum spin liquids. We review their contribution and discuss their presence in the thermal Hall conductivity in different physical contexts. We expect this review to provide a useful guidance for the physical mechanism of the thermal Hall transports in quantum magnets.

研究动机与目标

• 阐明量子磁体中微观物理变量与涌现自由度之间的关联。
• 解释在有序、无序及自旋液体等不同量子相中热霍尔效应的机制。
• 识别出如基塔耶夫自旋液体等奇异量子相的明确实验特征，尤其是半整数量子化。
• 分析量子临界点附近非平凡的热霍尔响应及其对拓扑相变的启示。
• 区分磁激发与声子对强自旋-晶格耦合体系中热霍尔电导率的贡献。

提出的方法

• 基于贝里曲率和量子自旋系统中规范场响应的理论分析，研究热霍尔电导率。
• 应用费米子平均场理论研究自旋液体中自旋on的拓扑结构与规范涨落。
• 利用对称性分析和有效场论，对有序和二聚化磁体中自旋波与三重态激发的热霍尔响应进行分类。
• 研究具有无能隙自旋on和由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用诱导的涌现内部通量的U(1)自旋液体态。
• 将α-RuCl₃和Lu₂V₂O₇等材料的实验数据与理论预测的热霍尔量子化和符号结构进行比较。
• 对非磁性和自旋耦合绝缘体中声子对热霍尔效应的贡献进行差异化处理，尤其关注其影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有电中性准粒子的量子磁体中，热霍尔效应的微观起源是什么？
• RQ2 外加磁场如何改变如自旋波和自旋on等涌现准粒子的贝里曲率？
• RQ3 热霍尔电导率的半整数量子化能否作为基塔耶夫自旋液体相的决定性特征？
• RQ4 在量子临界点附近，热霍尔响应如何变化？这些变化揭示了哪些关于拓扑相变的信息？
• RQ5 在强自旋-晶格耦合的量子磁体中，声子对横向热电导率的贡献有多大？

主要发现

• 在低温下，半整数量子化的热霍尔电导率是基塔耶夫自旋液体的稳健且明确的特征，因为在零温极限下自旋波贡献会消失。
• 在量子临界点附近，热霍尔电导率的符号和量级可发生数个数量级的变化，表明存在拓扑或磁性相变。
• 在U(1)自旋液体中，Dzyaloshinskii-Moriya相互作用会产生内部通量，改变贝里曲率并诱导能隙自旋on的热霍尔响应。
• 在非磁性和自旋耦合绝缘体（如SrTiO₃和Cd-Kapellasite）中，声子的热霍尔效应可能显著，必须与磁性贡献仔细分离。
• 在二聚化磁体中的三重态激发和基塔耶夫材料中的自旋on通过不同的规范和几何响应贡献于热霍尔电导率，后者表现出手性边缘模式。
• α-RuCl₃中的热霍尔效应同时表现出半整数量子化和符号结构异常，表明存在无能隙U(1)自旋液体和场诱导的拓扑相。