有限温度反常的横向维德曼-弗朗茨定律

时间:2020-05-11 20:56 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

有限温度反常的横向维德曼-弗朗茨定律

根据wiedemannan - franz (WF)定律,如果声子携带的热量可以忽略不计,电子也不会受到非弹性散射,那么金属的导电性就与它的热传导有关。在一种II型魏尔半金属,也被称为第四费米子中,电导率和导热率之间的比例的热依赖性突出了偏离维德曼-弗朗茨定律。物理学家已经在许多固体中测试了WF定律,但他们打算了解它在异常横向输运中的相关性,并研究波函数的拓扑性质。在一份新的报告中,许亮才和一个来自中国、法国、以色列和德国的凝聚态物理学国际研究团队对一种非共线反铁磁魏尔半金属Mn3Ge的横向异常响应进行了研究。他们改变了实验条件,从室温到次开尔文温度,观察到有限温度对WF相关性的破坏。他们认为这个结果是由于热和电的贝里曲率(在一个周期内获得的几何相位)的不匹配,而不是由于非弹性散射。研究小组用理论计算来支持他们的解释,揭示了温度和浆果曲率分布之间的竞争。这项研究现在发表在《科学进展》杂志上。

如果固体缺乏时间反转对称性(熵守恒),电子的浆果曲率会导致反常霍尔效应(AHE)。虽然对反常霍尔效应的热电和热对应物的研究较少,但它们也产生于相同的假想磁场。这些异常的非对角系数的大小之间如何相互关联,以及普通输运系数之间已建立的关联是否继续成立,仍有待确定。目前很难建立反常霍尔效应(AHE)的半经典公式,从而使任何产生横向电场的直观图像更具挑战性。在这项工作中,研究小组对一种磁性固体进行了研究,重点研究了反常电和热霍尔导电性之间的关系。Xu等人确定了大范围温度范围内的变量,包括异常洛伦兹比(LAij)和索姆费尔德值(L0),二者保持接近,但偏离开始于100 K以上。该研究小组声称,这一观察结果暗示了一种迄今未观察到的机制,即有限温度违反了WF定律。因此,他们通过理论计算来确定Weyl半金属族(Mn3Ge和Mn3Sn)的浆果曲率,从而支持了研究中的实验观察。

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根据理论命题,研究小组观察到Mn3X (X等于Sn和Ge)系列非共线反铁磁体在近温下存在较大的反常霍尔效应,即在低场中反映了超顺磁材料的非线性。研究结果为反铁磁自旋电子学新兴领域中含有新元素Mn3Ge和Mn3Sn的异常电导率的提取提供了一种直观的方法。在研究中,科学家们甚至将Mn3Ge信号的温度降至亚开尔文温度,以了解这一现象。

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他们测量了霍尔电阻率、Nernst信号(在样品中观察到的热电或热磁现象——在磁场的作用下)和热霍尔电阻率,以提取电/热电和热霍尔导电性。他们观察了该系统的基本性质,包括自旋结构、磁化和电阻率,结果显示随温度变化不大。Xu等人将异常的横向WF定律作为研究的主要发现。例如,在100k以下,异常洛伦茨比是平坦的,幅度略大于索姆菲尔德值。在100 K以上,Mn3Ge和Mn3Sn的反常洛伦兹比表现得非常不同,但与铁磁体相比,它们的电阻率随温度变化很小。

有限温度反常的横向维德曼-弗朗茨定律

由于先前关于违反世界森林法的若干主张后来被驳倒,因此必须用独立的标准来验证新的数据。科学家们通过验证开尔文关系(对于正常的输运系数)和布里奇曼关系(对于异常的横向系数)来支持他们工作的有效性。根据不可逆过程的热力学,无论微观细节如何,这种关系都必须保持有效。因此,Xu等人将相同的数据(电场和热梯度)加入到热电和热电研究中,工作中得出的开尔文和布里奇曼关系的有效性保证了所收集的热数据的有效性,作为进一步的实验验证。

有限温度反常的横向维德曼-弗朗茨定律

当存在非弹性散射时,WF定律也不再有效,因为小角度非弹性碰撞会使动量流衰减。当研究小组根据WF定律研究Mn3X金属时,他们得出结论,Mn3Sn和Mn3Ge中的主要散射机制是基于反位缺陷(晶体学缺陷)的散射。在这项研究中,几乎没有非弹性散射的空间,这就突出了需要另一种途径来观察违反WF定律的情况。所得理论定性地反映了Mn3Sn和Mn3Ge中不同的莓果光谱,从而导致了两种化合物在有限温度下的不同行为;从而满足替代路线的要求,进一步验证研究结果。

用这种方法,徐亮才和他的同事们测量了与熵流相关的反常霍尔效应的对应物。他们发现,连接热霍尔效应和电霍尔效应的WF定律在零温度下是有效的,尽管在100 K以上出现了有限偏差。在这项研究中,主要的散射效应是弹性的,他们在理论计算的同时提出了由于热和电的贝里曲率总和不匹配而导致的偏差,这进一步支持了这项工作。

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