Фононы оказались главными виновниками теплового планарного эффекта Холла

Физики поставили под сомнение причины, по которым в планарной конфигурации температурного градиента и магнитного поля возникает термический эффект Холла. Ранее считалось, что это явление проявляется из-за хиральных магнонов или майорановских фермионов, однако группа ученых экспериментально подтвердила, что феномен возникает из-за тепловых фононов, рассеивающихся на локальных нарушениях симметрии в монокристаллах. Статья опубликована в Physical Review X.

Когда физики помещают в поперечное магнитное поле проводник и пропускают через него ток перпендикулярно полю, то на краях образца возникает разность потенциалов и получается классический эффект Холла. Если же создать в образце тепловой градиент, который направить перпендикулярно магнитному потоку, то можно зарегистрировать возникновение электрического тока в материале — это уже тепловой (термический) эффект Холла. Казалось бы, перпендикулярность плоскости, в которой распространяется потока тепла, магнитному полю — обязательное условие, однако не так давно ученые обнаружили тепловой эффект Холла в планарной конфигурации, то есть и тепловой, и магнитный поток были направлены в одной плоскости.

Логично предположить, что причиной такого поведения образцов должны стать тепловые возбуждения кристаллической решетки — фононы, однако виновниками такой аномалии физики обычно называют хиральные магноны или майорановские фермионы. Все потому, что в исследуемых системах возникновение тепловых фононов не допускается из-за высокой симметрии кристаллической структуры.

Чэнь Лу (Lu Chen) из Шербрукского университета совместно с коллегами из Германии, Канады, Франции, США и Японии измерили тепловой эффект Холла в трех планарных образцах и обнаружили заметный вклад в результат от тепловых фононов в кристаллах при полном отсутствии такового от магнонов.

Физики использовали очень тонкие (толщиной от 37 до 168 микрометров) монокристаллы сверхпроводящих купратов YBa₂Cu₃O_y, Nd_2-xCe_xCuO₄ и La_2-y-xEu_ySr_xCuO₄ в качестве экспериментальных образцов. Для измерения тепловой холловской проводимости ученые получили тепловой ток вдоль длинной стороны кристаллов, а магнитное поле расположили сначала перпендикулярно, а затем параллельно току, чтобы сравнить значения для обычного теплового эффекта Холла и планарного. Тепловой градиент вдоль образца ученые обеспечили с помощью резистивного нагревателя, подключенного к одному из концов монокристалла, присоединив к противоположному теплоотвод из посеребренной смолы.

Результаты измерения при планарно приложенном магнитном поле показали, что электроны не внесли никакого вклада в эффект Холла, так как на них не действовала сила Лоренца, что вполне ожидаемо для такой конфигурации, а магноны не стали причиной наблюдаемого феномена, потому что оказались заперты внутри плоскостей CuO₂. Ученые также изменили в эксперименте концентрацию фононов за счет легирования образцов (внесения в материал положительно или отрицательно заряженных примесей), при этом температурные зависимости в образцах продемонстрировали схожесть с теоретическими предсказаниями для термических фононов в монокристаллах.

Противоречие с гипотезой, согласно которой термические фононы не могут возникнуть в подобных структурах из-за высокой кристаллической симметрии, физики объяснили тем, что в исследуемых образцах оказались различные примеси, дефекты и антиферромагнитные домены, на которых рассеялись фононы. Тем самым авторы работы поставили под сомнение теорию о том, что виновниками планарного теплового эффекта Холла выступают хиральные магноны или майорановские фермионы.

Разновидностей эффекта Холла существует очень много, а противоречий и парадоксов, связанных с этим явлением — еще больше. Например, мы писали прежде, как вакуумные флуктуации нарушили механизм квантового эффекта Холла.