El efecto Hall térmico (THE) es un fenómeno físico caracterizado por pequeñas diferencias transversales de temperatura que se producen en un material cuando una corriente térmica lo atraviesa y se le aplica un campo magnético perpendicular. Este efecto se ha observado en un número cada vez mayor de aisladores, pero su física subyacente sigue siendo poco conocida.
Investigadores de la Universidad de Sherbrooke en Canadá han intentado identificar el mecanismo detrás de este efecto en diferentes materiales. Su artículo más reciente, publicado en Nature Physics , examinó específicamente este efecto en el aislante antiferromagnético óxido de iridio y estroncio (Sr2 IrO4 ).
"Nuestra actividad de investigación actual sobre el THE en aisladores comenzó con el descubrimiento de un THE grande en los superconductores de cuprato", dijo a Phys.org Louis Taillefer, coautor del artículo.
"Esto fue una gran sorpresa para todos, en particular el hecho de que el gran THE persistiera hasta llegar al dopaje cero, donde los cupratos son aislantes de Mott. Esto despertó inmediatamente el interés de varios teóricos, entre ellos Steve Kivelson de Stanford y Subir Sachdev de Harvard. ."
Poco después de su descubrimiento, los investigadores pudieron determinar que los portadores de calor responsables de este efecto en los aisladores de cuprato son fonones, ondas de energía vibratoria atómica oscilatoria. Estos hallazgos se describen en un artículo publicado en Nature Physics. en 2020.
"La idea detrás de este trabajo era enviar la corriente de calor perpendicular al CuO2 planos, una dirección en la que sólo pueden viajar los fonones, pero no los electrones ni las excitaciones relacionadas con el espín", dijo Taillefer. "Esto demostró que los fonones son los portadores de calor relevantes, como lo descubrió poco antes el grupo de Kamran Behnia en el titanato de estroncio". P> 
Los resultados experimentales del equipo indicaron que los fonones sustentaban el THE que observaron en los aisladores de cuprato, aunque se desconocía el mecanismo físico a través del cual permitieron este efecto. Posteriormente, su trabajo inspiró a muchos físicos teóricos a ofrecer una posible explicación para este mecanismo, incluidos Kivelson en la Universidad de Stanford, Sachdev en la Universidad de Harvard, Allan MacDonald en la Universidad de Texas y Leon Balents en KITP Santa Bárbara.
"Nuestro enfoque experimental ha sido buscar el fonón THE en una amplia variedad de materiales", explicó Taillefer. "Uno de esos materiales es el aislante antiferromagnético Cu3 TeO6 . Otro es el iridato Sr2 IrO4 , que es el tema de nuestro último artículo en Nature Physics ."
Por lo tanto, como parte de su estudio reciente, Taillefer y sus colegas buscaron específicamente el efecto de las impurezas en el fonón inducido THE en Sr2 IrO4 . Para ello, su colaboradora Véronique Brouet del Laboratoire de Physique des Solides de la Universidad Paris-Saclay introdujo dos tipos de impurezas en el material; primero impurezas de rodio (Rh) y luego impurezas de lantano (La).
"La gran sorpresa fue la enorme mejora del THE que vimos cuando se añadió una pequeña concentración de impurezas de Rh", dijo Taillefer. "Observamos un aumento de 70 veces con sólo el 5% de Rh sustituyendo a Ir. Esto es una fuerte indicación de que el fonón THE es causado por la dispersión de fonones de impurezas que están incrustadas en un ambiente antiferromagnético (en este caso, el IrO2 capas)."
Los nuevos hallazgos recopilados por Taillefer y sus colegas insinúan un posible mecanismo que podría sustentar el fonón THE observado en Sr2 IrO4 . Este mecanismo implica la dispersión de fonones por impurezas, posiblemente mediante procesos resonantes como los sugeridos por Kivelson o Sachdev. Mientras tanto, los investigadores planean continuar su investigación sobre el efecto THE, centrándose en otros materiales.
"Una dirección para futuras investigaciones será ver si los materiales que son candidatos para estados líquidos de espín cuántico generan un THE que no proviene de fonones, sino de excitaciones emergentes exóticas, como los fermiones o espinones de Majorana", añadió Taillefer.
"Los materiales candidatos incluyen RuCl3 y Na2 Cu2 TeO6 . Otra dirección, esta vez para el fonón THE, será comprender cómo algunos materiales pueden generar un THE cuando el campo magnético aplicado es paralelo a la corriente de calor; el llamado 'planar THE'. ¡Desconcertante!"
A finales de 2023, Taillefer y sus colegas publicaron varios artículos investigando el plano THE en diferentes clases de materiales. Hasta ahora, sus estudios se han centrado en aisladores antiferromagnéticos frustrados, materiales de Kitaev y cupratos.
Más información: A. Ataei et al, Quiralidad del fonón por dispersión de impurezas en la fase antiferromagnética de Sr2IrO4, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02384-5.
Información de la revista: Física de la Naturaleza
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