Evidência de quiralidade de fônons a partir de espalhamento de impurezas no isolador antiferromagnético óxido de irídio e estrôncio
(a) Ilustração do experimento Hall térmico. Um gradiente de calor longitudinal é aplicado ao material na presença de um campo magnético externo, resultando na geração de um gradiente térmico transversal por fônons em monocristais de iridato isolantes. (b) Esboço de parte da estrutura cristalina de Sr2 IrO4 . Setas amarelas indicam os spins dos átomos de irídio que conferem propriedade antiferromagnética ao material. A introdução da dopagem Rh nos sítios Ir causa um sinal Hall térmico 30 vezes mais intenso do que o observado na substituição de átomos de Sr por átomos de La. Imagem obtida de:Martelli, V. Os fônons se curvam aos campos magnéticos. Nat. Física . (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-023-02288-w O efeito hall térmico (THE) é um fenômeno físico caracterizado por pequenas diferenças transversais de temperatura que ocorrem em um material quando uma corrente térmica passa por ele e um campo magnético perpendicular é aplicado a ele. Este efeito tem sido observado num número crescente de isoladores, mas a sua física subjacente permanece pouco compreendida.
Pesquisadores da Université de Sherbrooke, no Canadá, têm tentado identificar o mecanismo por trás desse efeito em diferentes materiais. Seu artigo mais recente, publicado na Nature Physics , examinaram especificamente esse efeito no isolante antiferromagnético óxido de irídio e estrôncio (Sr2 IrO4 ).
"Nossa atividade de pesquisa atual sobre o THE em isoladores começou com a descoberta de um grande THE em supercondutores de cuprato", disse Louis Taillefer, co-autor do artigo, ao Phys.org.
"Isso foi uma grande surpresa para todos, em particular o fato de que o grande THE persistiu até o doping zero, onde os cupratos são isolantes de Mott. Isso imediatamente despertou interesse entre vários teóricos, incluindo Steve Kivelson em Stanford e Subir Sachdev em Harvard ."
Pouco depois da descoberta, os pesquisadores conseguiram determinar que os transportadores de calor responsáveis por esse efeito nos isoladores de cuprato são os fônons, ondas de energia vibracional atômica oscilatória. Essas descobertas foram descritas em um artigo publicado na Nature Physics em 2020.
“A ideia por trás deste trabalho era enviar a corrente de calor perpendicular ao CuO2 planos, uma direção ao longo da qual apenas os fônons podem viajar, mas não os elétrons ou excitações relacionadas ao spin, "Tallefer disse." Isso mostrou que os fônons são os transportadores de calor relevantes, como encontrado pouco antes pelo grupo de Kamran Behnia no titanato de estrôncio. À esquerda está o doutorando Amirreza Ataei, autor principal do artigo, e à direita o professor Louis Taillefer, investigador principal do projeto. Crédito:Michel Caron, Universidade de Sherbrooke Os resultados experimentais da equipe indicaram que os fônons sustentavam o THE que observaram nos isoladores de cuprato, mas o mecanismo físico através do qual eles possibilitaram esse efeito permaneceu desconhecido. Seu trabalho posteriormente inspirou muitos físicos teóricos a oferecer uma possível explicação para esse mecanismo, incluindo Kivelson na Universidade de Stanford, Sachdev na Universidade de Harvard, Allan MacDonald na Universidade do Texas e Leon Balents no KITP Santa Barbara.
“Nossa abordagem experimental tem sido procurar o fônon THE em uma ampla variedade de materiais”, explicou Taillefer. “Um desses materiais é o isolante antiferromagnético Cu3 TeO6 . Outro é o iridato Sr2 IrO4 , que é o tema do nosso último artigo em Física da Natureza ."
Como parte de seu estudo recente, portanto, Taillefer e seus colegas pesquisaram especificamente o efeito das impurezas no fônon induzido THE em Sr2 IrO4 . Para fazer isso, sua colaboradora Véronique Brouet, do Laboratoire de Physique des Solides da Université Paris-Saclay, introduziu dois tipos de impurezas no material; primeiro impurezas de ródio (Rh) e depois impurezas de lantânio (La).
“A grande surpresa foi o enorme aumento do THE que vimos quando uma pequena concentração de impurezas Rh foi adicionada”, disse Taillefer. "Observamos um aumento de 70 vezes com apenas 5% de Rh substituindo Ir. Esta é uma forte indicação de que o fônon THE é causado pelo espalhamento de fônons por impurezas que estão incorporadas em um ambiente antiferromagnético (neste caso, o IrO2 camadas)."
As novas descobertas reunidas por Taillefer e seus colegas sugerem um possível mecanismo que poderia sustentar o fônon THE observado em Sr2 IrO4 . Este mecanismo envolve a dispersão de fônons por impurezas, possivelmente através de processos ressonantes como os sugeridos por Kivelson ou Sachdev. Enquanto isso, os pesquisadores planejam continuar suas pesquisas sobre o efeito THE, concentrando-se em vários outros materiais.
"Uma direção para pesquisas futuras será ver se os materiais que são candidatos a estados líquidos de spin quântico geram um THE que não é de fônons, mas sim de excitações emergentes exóticas, como férmions ou spinons de Majorana", acrescentou Taillefer.
"Os materiais candidatos incluem RuCl3 e Na2 Cu2 TeO6 . Outra direção, desta vez para o fônon THE, será entender como alguns materiais podem gerar um THE quando o campo magnético aplicado é paralelo à corrente de calor; o chamado 'planar THE.' Desconcertante!"
No final de 2023, Taillefer e seus colegas publicaram vários artigos investigando o THE planar em diferentes classes de materiais. Até agora, seus estudos se concentraram em isoladores antiferromagnéticos frustrados, materiais Kitaev e cupratos.
Mais informações: A. Ataei et al, Quiralidade de Phonon a partir de espalhamento de impurezas na fase antiferromagnética de Sr2IrO4, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02384-5. Informações do diário: Física da Natureza
