Efeito Hall térmico. A condutividade térmica Hall relaciona a corrente de calor resultante de um gradiente de temperatura perpendicular na presença de um campo magnético ao longo da terceira direção perpendicular. É uma ferramenta experimental poderosa, pois fornece acesso a portadores de carga neutra no sistema. Crédito:Samajdar et al. Figura adaptada de Phys. Rev. B 99, 165126 (2019).
Há poucos meses atrás, uma equipe de pesquisadores liderada por Louis Taillefer da Universidade de Sherbrooke mediu a condutividade térmica Hall em vários compostos de cobre, oxigênio e outros elementos que também são supercondutores de alta temperatura conhecidos como 'cupratos'. Na física, o efeito Hall térmico descreve o fluxo de calor em uma direção transversal a um gradiente de temperatura.
Geralmente, o calor flui na mesma direção do gradiente de temperatura, mas na presença de um campo magnético, alguns fluxos na direção transversal, também; isso é conhecido como efeito Hall térmico. Em seu estudo, Taillefer e seus colaboradores observaram que nos cuprates, este fluxo transversal às vezes pode ser muito grande, o que foi surpreendente para muitos físicos em todo o mundo.
Inspirado por esta observação, uma equipe de pesquisadores da Harvard University e da University of California começou recentemente a investigá-lo mais a fundo. Em seu jornal, publicado em Física da Natureza , eles foram capazes de explicar essas descobertas surpreendentes levando em consideração a possibilidade de que o campo magnético aplicado no experimento poderia trazer o material para perto de uma fase exótica com uma grande condutividade Hall térmica.
Essencialmente, o grande sinal observado por Taillefer e seus colegas indica a presença de outros graus de liberdade móveis que, ao contrário dos elétrons usuais, não carregue uma carga elétrica, mas contribuem para a condutividade térmica Hall. Esses graus de liberdade adicionais só parecem estar presentes no estado de Néel e no chamado estado de 'pseudogap'.
O estado Néel é um estado no qual há um elétron por sítio de rede quadrada e os spins do elétron são organizados em direções opostas, como quadrados pretos e brancos em um tabuleiro de xadrez. O estado pseudogap, por outro lado, um dos estados mais misteriosos no diagrama de fase de supercondutores de alta temperatura, surge quando a ordem Néel é destruída por dopagem do sistema com orifícios (ou seja, reduzindo a densidade eletrônica de um elétron por sítio de rede quadrada).
"Essas observações imediatamente chamaram nossa atenção, uma vez que nossas tentativas teóricas anteriores para entender o diagrama de fase dos cupratos, que foram motivados por um conjunto de medições e simulações numéricas muito diferentes, naturalmente envolvem excitações móveis 'spinon' dentro da fase pseudogap, "Mathias Scheurer e Subir Sachdev, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse a Phys.org. "Spinons carregam spin, mas sem carga, e, portanto, representam uma fonte natural da grande resposta térmica Hall observada. Estávamos, portanto, ansiosos para analisar se essas descrições teóricas podem reproduzir quantitativamente os dados de Hall térmico do grupo de Taillefer. "
Para investigar se os construtos teóricos que eles desenvolveram estavam alinhados com os dados coletados por Taillefer e seus colegas, os pesquisadores primeiro focaram suas investigações teóricas nos cupratos não dopados, com um elétron por site e ordem de Néel. Eles escolheram estudar este sistema específico porque as amostras experimentais não dopadas são as mais limpas, e assim, as assinaturas experimentais nos dados de Taillefer são provavelmente intrínsecas para as amostras não dopadas, em vez de uma consequência da falta de homogeneidade no sistema. Além disso, as observações coletadas por Taillefer e sua equipe para o sistema não dopado também são mais surpreendentes, pois eles minaram o entendimento anterior da fase Néel.
"Tanto nós quanto o grupo de P. Lee concluímos, após investigações detalhadas, que a teoria da onda de spin convencional não pode reproduzir a grande resposta Hall térmica observada no experimento, "Scheurer e Sachdev disseram." Portanto, alguém se depara com o problema de encontrar um mecanismo para o efeito Hall térmico aprimorado observado na fase de Néel, que abordamos em nosso recente Física da Natureza artigo."
Nas proximidades do ponto crítico (ponto vermelho) entre o estado de Néel, realizado nos cuprates não dopados, e uma segunda fase (denotada por VBS, que significa ligação de valência sólida), apenas um pequeno acoplamento orbital é necessário para conduzir o sistema a uma fase de líquido giratório quiral (CSL). O eixo horizontal representa uma constante de acoplamento entre spins localizados em sites de cobre vizinhos mais próximos. A seta vermelha denota o impacto do campo magnético experimentalmente aplicado, conduzindo o estado de Néel nas proximidades da transição para uma fase onde a ordem de Néel e CSL coexistem. Crédito:Samajdar et al. Figura adaptada de Samajdar et al., Física da Natureza (2019).
Um aspecto chave da explicação para o efeito Hall térmico fornecido por Scheurer, Sachdev e seus colegas é o acoplamento orbital J χ do campo magnético. Em materiais com interações muito fortes, como cuprates, este acoplamento orbital é frequentemente negligenciado, já que se espera que seja significativamente mais fraco do que o acoplamento direto do spin ao campo magnético, que é conhecido como acoplamento Zeeman. Contudo, na proximidade de um ponto crítico, seu efeito pode ser aumentado significativamente.
"Nossa teoria é que um pequeno J χ pode conduzir o sistema a uma fase de líquido de spin quiral (CSL) na vizinhança do ponto crítico - um efeito que esperávamos ser ainda mais aprimorado na presença de acoplamento spin-órbita, "Scheurer e Sachdev disseram." Os CSLs estão relacionados às fases Hall quânticas, com a diferença crucial de que os graus de liberdade móveis não são elétrons, mas spinons, que carregam apenas rotação e nenhuma carga elétrica. Como tal, eles não exibem uma resposta Hall elétrica quantizada, mas em virtude de carregar energia, produz uma resposta Hall térmica quantizada. "
A teoria desenvolvida por Scheurer, Sachdev e seus colegas sugerem que o campo magnético aplicado em experimentos que investigam o efeito Hall térmico conduz a fase Néel na proximidade de um CSL que coexiste com a ordem Néel. Em seu estudo, eles descobriram que, embora o sistema não dopado permanecesse na fase Néel, esta proximidade produz uma grande resposta térmica Hall semelhante, mas um pouco menor, do que o observado nos dados da equipe de Taillefer. Os pesquisadores também observaram que a dependência que eles previram para a condutividade térmica Hall em relação à temperatura e ao campo magnético concorda bem com as medições.
A teoria proposta pelos pesquisadores representa, portanto, uma explicação natural possível para as impressionantes observações de Taillefer e seus colegas. Esta condutividade térmica Hall não pode ser explicada pela teoria da onda de spin do estado de Néel, que se acreditava anteriormente captar a física dos compostos não dopados muito bem.
"Nosso trabalho indica que as excitações de spin devem ser levadas em consideração, mesmo na fase Néel, "Scheurer e Sachdev disseram." Nosso estudo também ilustra que o acoplamento orbital do campo magnético, embora seja esperado que seja fraco em comparação com o acoplamento Zeeman, pode desempenhar um papel fundamental. "
Além de fornecer uma explicação viável para as descobertas coletadas por Taillefer e seus colegas, Scheurer, Sachdev e seus colegas criaram uma teoria eficaz para a transição entre o estado de Néel e o CSL. Esta teoria tem quatro formulações "duais" diferentes. Em outras palavras, existem quatro teorias que parecem muito diferentes à primeira vista (por exemplo, eles contêm diferentes tipos de graus elementares de liberdade), mas descreve essencialmente a mesma física.
“No nosso trabalho, poderíamos relacionar todas as quatro teorias aos graus microscópicos de liberdade dos cupratos não dopados, "Scheurer e Sachdev explicaram." É muito emocionante ver como declarações abstratas de 'dualidades' entre teorias obtêm uma representação concreta em um material real com consequências diretas para experimentos de matéria condensada. Esperamos que os insights de nosso trabalho recente sejam úteis para a extensão do sistema dopado. "
Até aqui, a equipe de pesquisadores da Universidade de Harvard e da Universidade da Califórnia foi capaz de fornecer uma explicação teórica viável de por que os compostos de cuprato não dopados apresentam uma resposta Hall térmica aprimorada. Em seu trabalho futuro, eles planejam investigar este tópico mais detalhadamente, elaborando sobre as quatro diferentes 'teorias duais' que eles propuseram para o mecanismo de intensificação do efeito Hall térmico.
"Como nossos cálculos anteriores são baseados em apenas uma descrição, estamos planejando examinar as respectivas previsões para a condutividade térmica Hall nas três outras teorias; também se espera que avance nossa compreensão da física por trás das dualidades subjacentes, "Scheurer e Sachdev disseram." Outro problema importante para pesquisas futuras será estender nossa análise ao sistema dopado. Isso provavelmente vai lançar luz sobre a natureza da fase pseudogap. "
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