高温超导体中增强的热霍尔响应的理论解释

几个月前，由舍布鲁克大学的路易斯·泰勒弗(Louis Taillefer)领导的一组研究人员测量了几种铜，氧和其他元素的化合物的高温霍尔电导率，这些化合物也是高温超导体，称为“铜酸盐”。在物理学中，热霍尔效应描述的是沿垂直于温度梯度的方向的热流。

通常，热量沿与温度梯度相同的方向流动，但是在存在磁场的情况下，一些热量也沿横向方向流动。这就是所谓的热霍尔效应。Taillefer和他的合作者在研究中观察到，在铜酸盐中，这种横向流动有时可能非常大，这令全球许多物理学家感到惊讶。

这一观察启发，一组研究人员在美国哈佛大学和加州大学最近着手进一步调查。在他们发表于《自然物理学》上的论文中，他们通过考虑实验中施加的磁场可能使材料接近具有大热霍尔电导率的异质相的可能性，从而能够解释这些惊人的发现。

从本质上讲，Taillefer和他的同事观察到的大信号表明存在其他移动自由度，与通常的电子不同，该自由度不携带电荷，但有助于霍尔的热导率。这些额外的自由度仅似乎是存在于尼尔状态和所谓的“赝”状态。

奈尔态是这样一种状态，其中每个方格点有一个电子，并且电子自旋像棋盘上的黑白方格一样以相反的方向排列。另一方面，伪间隙状态是高温超导体相图中最神秘的状态之一，当通过在系统中注入空穴来破坏Néel阶时，即出现了伪间隙状态(即，使电子密度每平方降低一个电子)点阵)。

“这些观察结果立即引起了我们的注意，因为我们先前的理论尝试是为了了解铜酸盐的相图，而这是由一组非常不同的测量和数值模拟所激发的，自然地涉及到伪间隙相内部的移动'自旋'激发”，Mathias Scheurer进行这项研究的两名研究人员Subir Sachdev告诉Phys.org。“Spinons携带自旋但没有电荷，并且因此表示所观察到的大的热响应大厅的天然来源。我们因而渴望分析这些理论性描述是否可以定量再现塔尔莱费尔的组的热霍尔数据”。

为了研究他们设计的理论构造是否与Taillefer和他的同事收集的数据一致，研究人员首先将他们的理论研究集中在未掺杂的铜酸盐上，每个位点一个电子和Néel级。他们选择研究此特定系统是因为未掺杂的实验样品是最干净的，因此，Taillefer数据中的实验特征很可能是未掺杂样品的固有特征，而不是系统不均匀的结果。此外，Taillefer及其团队针对未掺杂系统收集的观察结果也最令人惊讶，因为它们破坏了以前对Néel阶段的理解。

Scheurer和Sachdev说：“ 我们和P. Lee的小组经过详细调查后得出结论，传统的自旋波理论无法重现实验中看到的大热霍尔响应。” “因此，人们面临的问题是寻找一种能观察到奈尔相中增强的热霍尔效应的机理，我们将在最近的《自然物理学》文章中对此进行探讨。”

在未掺杂的铜酸盐中实现的Néel态和第二相(由VBS表示价键固体)之间的临界点(红点)附近，只需很小的轨道耦合即可将系统驱动到手性自旋液体(CSL)相。水平轴表示位于下一个相邻铜位置上的自旋之间的耦合常数。红色箭头表示实验施加的磁场的影响，驱动Néel状态接近过渡到Néel级和CSL共存的阶段。图片来源：Samajdar等。该图改编自Samajdar等人，《自然物理学》(2019)。

Scheurer，Sachdev及其同事提供的热霍尔效应解释的一个关键方面是磁场的轨道耦合Jχ。在相互作用非常强烈的材料(例如铜酸盐)中，这种轨道耦合通常被忽略，因为它被认为比自旋与磁场的直接耦合(称为塞曼耦合)要弱得多。然而，在临界点附近，其效果可以显着增强。

“我们的理论是，小的Jχ可以将系统驱动到临界点附近的手性自旋液体(CSL)相-在自旋轨道耦合存在的情况下，我们希望这种作用会进一步增强，” Scheurer和萨赫杰夫说。“CSL的都涉及到量子霍尔阶段，与关键区别在于移动自由度是不电子而是spinons，只携带自旋和无电荷。因此，它们不表现出量化电霍尔反应，但由借助携带的能量，可以产生量化的热霍尔响应。”

由Scheurer，Sachdev及其同事设计的理论表明，在研究热霍耳效应的实验中应用的磁场将Néel相驱动到与Néel级共存的CSL附近。在他们的研究中，他们发现，尽管未掺杂的系统仍保留在Néel相中，但这种接近产生的热霍尔响应与Taillefer团队的数据相似，但略小。研究人员还观察到，他们预测的热霍尔电导率对温度和磁场的依赖性与测量结果非常吻合。

因此，研究人员提出的理论自然可以解释Taillefer及其同事的惊人发现。奈尔态的自旋波理论无法解释这种热霍尔电导率，以前认为它能很好地捕获未掺杂化合物的物理性质。

Scheurer和Sachdev说：“我们的工作表明，即使在Néel阶段，也必须考虑到激子激发。” “我们的研究还表明，尽管与塞曼耦合相比，磁场的轨道耦合虽然会弱一些，但可以发挥关键作用。”

除了为Taillefer和他的同事们收集到的发现提供可行的解释之外，Scheurer，Sachdev和他们的同事们提出了一个有效的理论，以指导内尔州与CSL之间的过渡。该理论有四种不同的“双重”表述。换句话说，有四种理论乍一看非常不同(例如，它们包含不同类型的基本自由度)，但是本质上描述了相同的物理学。

Scheurer和Sachdev解释说：“在我们的工作中，我们可以将所有四个理论与未掺杂的铜酸盐的微观自由度联系起来。” “很高兴看到理论之间的‘双重性’的语句是如何抽象与凝聚态实验的直接后果真材实料得到具体体现。我们希望我们近期工作的见解将证明是扩展到掺杂有用系统。”

到目前为止，哈佛大学和加利福尼亚大学的研究人员团队能够为未掺杂的铜酸盐化合物为何表现出增强的霍尔热响应提供了可行的理论解释。在未来的工作中，他们计划通过阐述为热霍尔效应增强机制提出的四种不同的“双重理论”来进一步研究该主题。

“由于我们以前的计算仅基于一个描述，因此我们计划在其他三个理论中研究热霍尔电导率的相应预测;这也有望增进我们对潜在的二元性背后的物理学的理解，” Scheurer和萨赫杰夫说。“未来研究的另一个重要问题将是将我们的分析扩展到掺杂系统。这很可能阐明伪间隙相的性质。”