Efecto Hall Térmico. La conductividad de Hall térmica relaciona la corriente de calor resultante de un gradiente de temperatura perpendicular en presencia de un campo magnético a lo largo de la tercera dirección perpendicular. Es una poderosa herramienta experimental, ya que proporciona acceso a portadores de carga neutra en el sistema. Crédito:Samajdar et al. Figura adaptada de Phys. Rev. B 99, 165126 (2019).
Hace pocos meses, un equipo de investigadores dirigido por Louis Taillefer en la Universidad de Sherbrooke midió la conductividad térmica Hall en varios compuestos de cobre, oxígeno y otros elementos que también son superconductores de alta temperatura conocidos como 'cupratos'. En física, el efecto Hall térmico describe el flujo de calor en una dirección transversal a un gradiente de temperatura.
Generalmente, el calor fluye en la misma dirección que el gradiente de temperatura, pero en presencia de un campo magnético, algunos fluyen en dirección transversal, también; esto se conoce como efecto Hall térmico. En su estudio, Taillefer y sus colaboradores observaron que en los cuprates, este flujo transversal a veces puede ser muy grande, lo cual fue sorprendente para muchos físicos de todo el mundo.
Inspirado por esta observación, un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard y la Universidad de California se propuso recientemente investigarlo más a fondo. En su papel publicado en Física de la naturaleza , pudieron explicar estos sorprendentes hallazgos teniendo en cuenta la posibilidad de que el campo magnético aplicado en el experimento pudiera acercar el material a una fase exótica con una gran conductividad térmica Hall.
Esencialmente, la gran señal observada por Taillefer y sus colegas indica la presencia de otros grados móviles de libertad que, a diferencia de los electrones habituales, no lleve carga eléctrica, pero contribuyen a la conductividad térmica Hall. Estos grados adicionales de libertad solo parecen estar presentes en el estado de Néel y en el estado llamado 'pseudogap'.
El estado de Néel es un estado en el que hay un electrón por sitio de celosía cuadrada y los espines de los electrones están dispuestos en direcciones opuestas como cuadrados blancos y negros en un tablero de ajedrez. El estado pseudogap, por otra parte, uno de los estados más misteriosos en el diagrama de fase de los superconductores de alta temperatura, surge cuando la orden de Néel se destruye al dopar el sistema con agujeros (es decir, reduciendo la densidad electrónica de un electrón por sitio de red cuadrado).
"Estas observaciones llamaron nuestra atención de inmediato, ya que nuestros intentos teóricos anteriores de comprender el diagrama de fase de los cupratos, que fueron motivados por un conjunto de mediciones y simulaciones numéricas muy diferentes, naturalmente involucran excitaciones móviles de 'spinon' dentro de la fase de pseudogap, "Mathias Scheurer y Subir Sachdev, dos de los investigadores que realizaron el estudio, dijo Phys.org. "Los espinones giran pero no cargan, y por lo tanto representan una fuente natural de la gran respuesta térmica de Hall observada. Por lo tanto, estábamos ansiosos por analizar si estas descripciones teóricas pueden reproducir cuantitativamente los datos térmicos de Hall del grupo de Taillefer ".
Para investigar si los constructos teóricos que idearon estaban alineados con los datos recopilados por Taillefer y sus colegas, los investigadores primero centraron sus investigaciones teóricas en los cupratos no dopados, con un electrón por sitio y orden Néel. Eligieron estudiar este sistema en particular porque las muestras experimentales sin dopar son las más limpias, y por lo tanto, las firmas experimentales en los datos de Taillefer son probablemente intrínsecas para las muestras sin dopar, más que una consecuencia de falta de homogeneidad en el sistema. Además, Las observaciones recopiladas por Taillefer y su equipo para el sistema no dopado también son muy sorprendentes, ya que socavaron la comprensión previa de la fase Néel.
"Tanto nosotros como el grupo de P. Lee concluimos después de investigaciones detalladas que la teoría convencional de ondas de giro no puede reproducir la gran respuesta térmica de Hall observada en el experimento, "Scheurer y Sachdev dijeron." Por lo tanto, uno se enfrenta al problema de encontrar un mecanismo para el efecto Hall térmico mejorado observado en la fase Néel, que abordamos en nuestro reciente Física de la naturaleza artículo."
En las proximidades del punto crítico (punto rojo) entre el estado de Néel, realizado en los cupratos sin dopar, y una segunda fase (indicada por VBS que significa enlace de valencia sólido), solo se requiere un pequeño acoplamiento orbital para impulsar el sistema a una fase líquida de giro quiral (CSL). El eje horizontal representa una constante de acoplamiento entre espines ubicados en los sitios de cobre del vecino más próximo. La flecha roja denota el impacto del campo magnético aplicado experimentalmente, impulsando el estado de Néel en las proximidades de la transición a una fase en la que coexisten el orden Néel y la CSL. Crédito:Samajdar et al. Figura adaptada de Samajdar et al., Física de la naturaleza (2019).
Un aspecto clave de la explicación del efecto Hall térmico proporcionado por Scheurer, Sachdev y sus colegas es el acoplamiento orbital J χ del campo magnético. En materiales con interacciones muy fuertes, como los cupratos, este acoplamiento orbital a menudo se descuida, ya que se espera que sea significativamente más débil que el acoplamiento directo del espín al campo magnético, que se conoce como acoplamiento Zeeman. Sin embargo, en la proximidad de un punto crítico, su efecto se puede potenciar significativamente.
"Nuestra teoría es que una pequeña J χ puede conducir el sistema a una fase líquida de espín quiral (CSL) en las proximidades del punto crítico, un efecto que esperábamos mejorar aún más en presencia de acoplamiento espín-órbita, "Scheurer y Sachdev dijeron." Los CSL están relacionados con las fases cuánticas de Hall, con la diferencia crucial de que los grados de libertad móviles no son electrones sino espinones, que solo llevan giro y sin carga eléctrica. Como tal, no presentan una respuesta Hall eléctrica cuantizada, pero en virtud de llevar energía, producen una respuesta Hall térmica cuantificada ".
La teoría ideada por Scheurer, Sachdev y sus colegas sugieren que el campo magnético aplicado en experimentos que investigan el efecto Hall térmico impulsa la fase Néel en las proximidades de un CSL que coexiste con el orden Néel. En su estudio, encontraron que aunque el sistema sin dopar permanecía en la fase Néel, esta proximidad produce una gran respuesta térmica Hall similar, pero algo más pequeño, que el observado en los datos del equipo de Taillefer. Los investigadores también observaron que la dependencia que predijeron para la conductividad térmica de Hall tanto en la temperatura como en el campo magnético concuerda bien con las mediciones.
La teoría propuesta por los investigadores representa así una posible explicación natural de las sorprendentes observaciones de Taillefer y sus colegas. Esta conductividad de Hall térmica no puede explicarse por la teoría de onda de espín del estado de Néel, que anteriormente se creía que capturaba muy bien la física de los compuestos sin dopar.
"Nuestro trabajo indica que deben tenerse en cuenta las excitaciones de spinon, incluso en la fase Néel, "Scheurer y Sachdev dijeron." Nuestro estudio también ilustra que el acoplamiento orbital del campo magnético, aunque se espera que sea débil en comparación con el acoplamiento Zeeman, puede jugar un papel clave ".
Además de proporcionar una explicación factible de los hallazgos recopilados por Taillefer y sus colegas, Scheurer, Sachdev y sus colegas elaboraron una teoría eficaz para la transición entre el estado de Néel y la CSL. Esta teoría tiene cuatro formulaciones "duales" diferentes. En otras palabras, hay cuatro teorías que se ven muy diferentes a primera vista (por ejemplo, contienen diferentes tipos de grados elementales de libertad), pero esencialmente describen la misma física.
"En nuestro trabajo, Podríamos relacionar las cuatro teorías con los grados microscópicos de libertad de los cupratos sin dopar, Scheurer y Sachdev explicaron:“Es bastante emocionante ver cómo declaraciones abstractas de 'dualidades' entre teorías obtienen una representación concreta en un material real con consecuencias directas para los experimentos de materia condensada. Esperamos que los conocimientos de nuestro trabajo reciente resulten útiles para la extensión al sistema dopado ".
Hasta aquí, el equipo de investigadores de la Universidad de Harvard y la Universidad de California pudo proporcionar una explicación teórica viable de por qué los compuestos de cuprato sin dopar presentan una respuesta térmica Hall mejorada. En su trabajo futuro, planean investigar este tema más a fondo elaborando las cuatro "teorías duales" diferentes que propusieron para el mecanismo de mejora del efecto Hall térmico.
"Como nuestros cálculos anteriores solo se basan en una descripción, estamos planeando investigar las predicciones respectivas para la conductividad térmica Hall en las otras tres teorías; También se espera que esto avance en nuestra comprensión de la física detrás de las dualidades subyacentes, ", Dijeron Scheurer y Sachdev." Otro problema importante para la investigación futura será extender nuestro análisis al sistema dopado. Esto probablemente arrojará luz sobre la naturaleza de la fase de pseudogap ".
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