The Innovation | 绝缘量子材料中的热霍尔效应

导 读

量子材料是由于量子力学而产生奇异物理特性的材料，如铜氧化物高温超导体，石墨烯、拓扑绝缘体等。其在能量传输和转换、量子传感、量子信息处理、生物医学等方面有广泛的潜在应用。在研究量子材料的过程中，与传统的电学测量相比，热学测量的一个明显优势是可以检测电荷中性激发，如晶格振动（声子）和自旋激发。其中，热霍尔效应因其对准粒子在磁场存在下的手性异常敏感，而成为研究绝缘量子材料的有效工具。本文主要介绍了绝缘量子材料中有关热霍尔效应的重要实验和发现，并对其背后的机制进行了讨论。

图1 图文摘要

热霍尔效应是一种热输运现象：在外加磁场的作用下，沿x轴方向的温度梯度将会产生横向热流J_H（因此，建立横向温度梯度∇T_y）。在没有电子的绝缘量子材料中，热霍尔效应因其对准粒子在磁场中的手性异常敏感，而成为探测物理性质的有效工具。

声子热霍尔效应

2005年，Strohm等人在顺磁绝缘体Tb₃Ga₅O₁₂中首次发现了声子热霍尔效应并将该现象归因于稀土杂质对声子的共振偏斜散射。这种散射是一种外部机制，其原理是Tb³⁺的四极矩和晶格应变之间的耦合对声子造成不对称散射，致使声子的定向运动偏离其原始路径并产生横向热流。最近，在非磁性绝缘体SrTiO₃中也检测到较大的声子霍尔热导，并归因于另一种外在机制：结构域边界对声子的散射。该极性域壁被认为是由SrTiO₃在105K时的反铁磁性结构转变引起的。除了这些外在机制，内在机制也可以在热霍尔效应中发挥关键作用。其中最突出的是贝里曲率，它与外加磁场的作用相近，可以对声子施加类似于洛伦兹力的横向作用力，从而使声子获得漂移速度。另一个内在机制是声子和自旋耦合。在一些铜酸盐材料的伪隙相中，低温下观测到的负声子霍尔信号（∇T_y < 0）可以归因于该机制。例如，在La₂CuO₄、Nd₂CuO₄和Sr₂CuO₂Cl₂中，声子与CuO₂平面本征自旋激发的耦合被认为是声子获得手性的主导机制。

自旋热霍尔效应

除了声子，自旋激发也可以作为热载流子。与声子不同的是，自旋激发携带量子化的自旋角动量，使得手性成为其固有属性。当自旋与动量耦合时，其手性使热载流子获得横向速度，导致自旋热霍尔效应。其中，特别有趣的是由Katsura等人最先提出的磁子热霍尔效应。Dzyaloshinskii-Moriya相互作用可以在磁子能带中诱发非零贝里曲率，从而产生热霍尔效应。在2010年，Onose等人在具有kagome晶格的Lu₂V₂O₇中观测到微弱的磁子热霍尔效应。五年后，Hirschberger等人在kagome磁体Cu(1-3, bdc)中也检测到有限的磁子霍尔热导。同年，他们还在具有烧绿石结构的Tb₂Ti₂O₇中发现了热霍尔效应，但将其归于中性自旋激发而不是磁子。此外，对于Kitaev莫特绝缘体α-RuCl₃，Kasahara等人发现施加平行于样品的磁场可以破坏其长程磁序，并使α-RuCl₃进入量子自旋流体态。在该基态的低温体系中，霍尔热导与温度之比不再随施加磁场的变化而变化，而是形成一个恒定的平台。该平台量子化数值是整数量子霍尔效应的一半，这归因于电中性的马约拉纳费米子的存在。然而，Czajka等人并未在α-RuCl₃中观察到上述现象。次年，Lefrançois等人根据霍尔热导的温度相关性认为声子才是该热霍尔效应的主要载流子。因此，α-RuCl₃中是否存在电中性的马约拉纳费米子仍然需要进一步研究。

总结与展望

热霍尔效应凭借其对热载体手性的敏感性，在表征绝缘量子材料方面发挥并将继续发挥重要作用。声子和自旋激发都可以引起热霍尔效应，其中的基本机制各不相同；但一个共同的特点是，热载体都受到手性的影响。声子可以通过各种外和内在机制被赋予手性。外在机制与稀土杂质和结构域边界的散射有关，而内在机制包括贝里曲率和声子与自旋的耦合。除了声子，磁子等自旋激发也在绝缘量子材料的热霍尔效应中起着关键作用。目前，由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用引起的贝里曲率是磁子热霍尔效应的主导机制。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00086-8

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第五期以Editorial发表的“Thermal Hall effect in insulating quantum materials” (投稿: 2022-04-20；接收: 2022-06-22；在线刊出: 2022-07-20)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100290

引用格式：Guo S., Xu Y., Cheng R., et al. (2022). Thermal Hall effect in insulating quantum materials. The Innovation. 3(5),100290.

作者简介

陈 曦， 现任加州大学河滨分校电气和计算机工程系助理教授。他于2014年在德克萨斯大学奥斯汀分校获得材料科学与工程博士学位。主要从事热电材料、热管理材料、锂离子电池等领域的研究。在相关领域发表论文30余篇，包括Science, Physical Review Letters, Nature Communications等。

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