Во фрустрированных магнетиках нашли новый тип теплопроводимости

Физики из Принстонского университета впервые экспериментально изучили транспортные свойства спиновых возмущений во фрустрированных магнетиках. Новые данные предоставляют важную информацию о запутанных частицах в неупорядоченных спиновых системах. Работа опубликована в Science.

Фрустрированные магнетики — это вещества, в которых при низких температурах спины не могут упорядоченно выстроиться из-за геометрических причин. Самый простой пример — треугольник, в вершинах которого находятся спины. Для минимизации энергии все они должны антипараллельно друг к другу, но одновременно для всех такого состояния достичь невозможно. В трехмерном случае аналогичная ситуация встречается в тетраэдрах.

Вследствие этого во фрустрированных магнетиках при низких температурах существуют неупорядоченности, которые могут перемещаться по материалу, и таким образом переносить, к примеру, тепло. Авторам статьи удалось экспериментально измерить транспортные свойства таких неупорядоченностей и описать их в терминах квази-частиц.

Для проведения эксперимента ученые вырастили кристаллы Tb₂Ti₂O₇, имеющего структуру пирохлора, он как раз является фрустрированным антиферромагнетиком. В его кристаллической структуре есть два мотива тетраэдров, перекрывающих друг друга, вследствие чего спины стремятся выстроиться антипараллельно, однако не могут полностью достичь этого состояния из-за геометрической фрустрации.

Для изучения отклика спиновых неупорядоченностей авторы помещали кристаллы в магнитное поле. В такой системе теплопроводность возникает из-за эффекта Холла: в магнитном поле частицы или квазичастицы, проводящие тепло, «сносятся» поперек потока, создавая дополнительный градиент температуры. Отношение проводимости поперек к проводимости вдоль называется углом Холла. В работе изучали зависимость этой величины от напряженности магнитного поля и средней температуры кристалла. Сам факт, что эффект Холла наблюдался в веществе-изоляторе, в котором нет подвижных зарядах, говорит о кардинально новых свойствах фрустрированных магнетиков.

Авторам было важно показать, что транспортные свойства, которые они измеряли в эксперименте, возникают именно из-за фрустрации, ведь существуют еще два механизма теплопроводности, которые могут приводить к похожим явлениям: фононы и магноны.

 — это квази-частицы, которые описывают колебания атомов кристаллической решетки. Этот механизм теплопроводности играет огромную роль при достаточно высоких температурах, но подавляется при приближении к абсолютному нулю.

 — это тоже квазичастицы. В идеальном кристалле все спины стремятся выстроиться параллельно, однако при конечных (но все равно очень маленьких) температурах небольшое число спинов ориентируется антипараллельно. Полученные неоднородности как раз и описывают в терминах квази-частиц. Авторы показывают, что измеренные характеристики не могут принадлежать ни фононам, ни магнонам, по крайней мере — ни в одном из известных теоретических подходов. Однако они хорошо согласуются с тем небольшим числом данных, которые доступны по фрустрированным магнетикам. Так, в частности, ученые показывают, что по теплопроводности эти материалы очень похожи на металлы с примесями, а также, что неупорядоченности в них, вероятно, являются фермионами, тогда как про магноны хорошо известно, что они являются бозонами.