《美国国家科学院院刊》发表西湖大学Alexey Kavokin最新研究成果

近日，《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表题为The Nernst Effect in Corbino Geometry 的研究论文。西湖大学讲席教授Alexey Kavokin为第一作者和通讯作者，哥伦比亚大学教授Boris Altshuler为共同通讯作者。

Kavokin和合作者研究发现，柯比诺圆盘这种独特的几何结构为观察能斯特效应中的热力学本源提供了一个非常理想的平台。根据理论计算，他们预言如果使得一个柯比诺圆盘的内外两侧存在温度差，则能在圆盘中心测得随外加垂直磁场而震荡变化的诱发磁场。
作者的灵感产生于哥伦比亚大学Boris Altshuler教授2019年访问西湖大学期间。短短三周的交流访问，让他们的思维碰出了火花，并完成了基本的理论推理。“接下去的几周，我们完成了所有的推导和计算，只用了纸和笔，这是非常美妙的一件事。”Kavokin说。
图1 ：Alexey Kavokin（右三）、Boris Altshuler（左二）和团队夜游西湖

两大经典研究的“摩擦起火”

科学研究就是这样，有的时候是“无心插柳”，即一个领域的研究，在另一个领域发挥了更大的作用；还有时，关联两个看起来毫无联系的作用现象，能带来惊人的发现。柯比诺圆盘里的能斯特效应，就属于后者。
要理解这项研究，我们首先要回到1911年。意大利物理学家柯比诺（Corbino）在一个导电圆盘的内外侧接上两个电极，在垂直圆盘方向加一个磁场；这个外加磁场引发的洛伦兹力产生磁化电流，该电流和圆盘的电导率无关。柯比诺利用不同金属做了一系列测试验证这一结论。后来这种圆盘被称为“柯比诺圆盘”。
人们利用柯比诺圆盘对霍尔效应做了很多深入研究，但用它对最重要的热磁效应——能斯特效应，做的研究却不多。
图2：柯比诺圆盘。在柯比诺的实验中，圆盘内外接电极并外加磁场会产生磁化电流。
再来看能斯特效应（图3）。在能斯特效应中，一个沿x方向的温度梯度和一个沿z方向的外加磁场共同作用可以导致一个沿y方向的感应电场。这是由德国科学家能斯特和他导师爱廷豪森（图4）在19世纪发现的。如今，科学家已陆续在石墨烯、准二维高温超导体的赝能隙相、常规超导薄膜中都观察到能斯特效应。
为什么会出现这样的效应？科学家们尝试解释说：能斯特效应中的感生电流由动力学（kinetic）和热力学(thermodynamic)两部分组成；前者与样品电导率、载流子化学势对温度的导数有关，后者只与温度梯度引起的磁化电流有关。对热力学部分的认识起始于1964年，之后由于它对量子霍尔效应和超导体系等研究的重要性而不断被重新讨论，但时至今日都没有确凿的实验证据。
图3：能斯特效应。感生电场Ey，是垂直方向磁场Hz和沿x方向温度梯度（红箭头）共同作用的结果
图4：1920年诺贝尔化学奖得主瓦尔特·能斯特（后排左一）和他导师阿尔伯特·爱廷豪森（前排左二）
这一次，Kavokin和他的合作者们取得了重要突破。
要检验对能斯特效应的解释正确与否，关键是要找到磁化电流。然而要测量到纯磁化电流，在通常的长方几何结构中根本不可能。Kavokin他们想到了用柯比诺圆盘。
“因为它的结构很特别，外加一个很强的磁场后，柯比诺圆盘中的电流不会在内外侧之间传播，因此我们可以忽略动力学电流，而此时的柯比诺圆盘在温度梯度下会出现明显的磁化电流，所以我们可以认为样品中的总电流基本就是磁化电流”，Kavokin说。
他们计算出由磁化电流感应生成的磁场，发现这个磁场会表现出非谐振震荡。“我们比较了一般金属和石墨烯材料，你会发现两者的震荡形式大不相同。我们通过建立模型所预测的磁场行为，以目前的技术已经可以开展实验验证，比如放一个SQUID磁力计到圆盘的中间。”

有助开发新型电子器件和电子材料

通过柯比诺圆盘，人们终于有机会窥探到能斯特效应中纯粹热力学的那部分。Kavokin说，“关于抗磁电流对能斯特效应的贡献，很多年来一直都存在争议。我们的工作为解决这个问题带来了希望。”
进一步借助这层关系，人们可以反过来推测样品载流子的信息，用在二维系统的输运研究中。这对实验人员来说，实在是个好消息！利用二维材料的输运性质，开发新的电子器件和电极材料，或许将构建起一个新的电子世界。


《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）是美国国家科学院的院刊，创刊于1914年。它是被引用次数最多的综合学科文献之一，也是世界公认的四大名刊（Cell，Nature，Science，PNAS）之一。

论文作者介绍Kavokin教授，俄罗斯科学院物理技术研究所物理与数学科学博士，曾任南安普顿大学纳米物理和光子学主任、物理与天文学系讲席教授。2018年受聘为西湖大学理论物理讲席教授，创立了国际极化激元中心。他先后引进多位教授、研究员加入该中心，共同研究“液态光的量子”——极化激元；多次邀请国际知名专家来杭交流访问，开展深度合作研究，包括本项研究的合作者——美国科学院院士、哥伦比亚大学教授Boris Altshuler；为在浙江杭州建立一个国际领先的研究中心贡献了重要力量。

文末点个在看吧~作者/周晓青编辑/张  弛校对/冯  怡