Il y a quelques mois, une équipe de chercheurs dirigée par Louis Taillefer à l'Université de Sherbrooke a mesuré la conductivité thermique de Hall dans plusieurs composés du cuivre, l'oxygène et d'autres éléments qui sont également des supraconducteurs à haute température appelés « cuprates ». En physique, l'effet Hall thermique décrit le flux de chaleur dans une direction transversale à un gradient de température.

Généralement, la chaleur circule dans le même sens que le gradient de température, mais en présence d'un champ magnétique, certains écoulements dans le sens transversal, trop; c'est ce qu'on appelle l'effet Hall thermique. Dans leur étude, Taillefer et ses collaborateurs ont observé que dans les cuprates, ce flux transversal peut parfois être très important, ce qui était surprenant pour de nombreux physiciens du monde entier.

Inspiré par ce constat, une équipe de chercheurs de l'Université Harvard et de l'Université de Californie a récemment entrepris de l'étudier plus avant. Dans leur papier, Publié dans Physique de la nature , ils ont pu expliquer ces découvertes frappantes en tenant compte de la possibilité que le champ magnétique appliqué dans l'expérience puisse rapprocher le matériau d'une phase exotique avec une grande conductivité thermique de Hall.

Essentiellement, le grand signal observé par Taillefer et ses collègues indique la présence d'autres degrés de liberté mobiles qui, contrairement aux électrons habituels, ne portez pas de charge électrique, mais contribuent à la conductivité thermique de Hall. Ces degrés de liberté supplémentaires n'apparaissent présents que dans l'état de Néel et dans l'état dit 'pseudogap'.

L'état de Néel est un état dans lequel il y a un électron par site de réseau carré et les spins des électrons sont disposés dans des directions opposées comme des carrés noirs et blancs sur un échiquier. L'état de pseudogap, d'autre part, l'un des états les plus mystérieux du diagramme de phase des supraconducteurs à haute température, émerge lorsque l'ordre de Néel est détruit en dopant le système avec des trous (c'est-à-dire, réduisant la densité électronique d'un électron par site de réseau carré).

"Ces observations ont immédiatement attiré notre attention depuis nos précédentes tentatives théoriques pour comprendre le diagramme de phase des cuprates, motivés par un ensemble de mesures et de simulations numériques très différentes, impliquent naturellement des excitations « spinon » mobiles à l'intérieur de la phase pseudogap, " Mathias Scheurer et Subir Sachdev, deux des chercheurs qui ont mené l'étude, dit Phys.org. "Les spinons portent des spins mais pas de charge, et représentent donc une source naturelle de la grande réponse thermique de Hall observée. Nous étions donc impatients d'analyser si ces descriptions théoriques peuvent reproduire quantitativement les données thermiques de Hall du groupe de Taillefer."

Pour déterminer si les constructions théoriques qu'ils ont conçues étaient alignées avec les données recueillies par Taillefer et ses collègues, les chercheurs ont d'abord concentré leurs investigations théoriques sur les cuprates non dopés, avec un électron par site et ordre de Néel. Ils ont choisi d'étudier ce système particulier car les échantillons expérimentaux non dopés sont les plus propres, Et ainsi, les signatures expérimentales dans les données de Taillefer sont très probablement intrinsèques pour les échantillons non dopés, plutôt qu'une conséquence des inhomogénéités du système. En outre, les observations recueillies par Taillefer et son équipe pour le système non dopé sont également des plus surprenantes, car ils sapaient la compréhension antérieure de la phase de Néel.

"Nous et le groupe de P. Lee avons conclu après des enquêtes détaillées que la théorie conventionnelle des ondes de spin ne peut pas reproduire la grande réponse thermique de Hall observée dans l'expérience, " Scheurer et Sachdev ont dit. " Par conséquent, on est confronté au problème de trouver un mécanisme pour l'effet Hall thermique accru observé dans la phase de Néel, que nous abordons dans notre récent Physique de la nature article."

Un aspect clé de l'explication de l'effet Hall thermique fournie par Scheurer, Sachdev et leurs collègues est le couplage orbital J ?? du champ magnétique. Dans les matériaux à très fortes interactions, tels que les cuprates, ce couplage orbital est souvent négligé, comme on s'attend à ce qu'il soit significativement plus faible que le couplage direct du spin au champ magnétique, qui est connu sous le nom de couplage Zeeman. Cependant, à proximité d'un point critique, son effet peut être considérablement amélioré.

"Notre théorie est qu'un petit J ?? peut entraîner le système dans une phase de liquide de spin chiral (CSL) à proximité du point critique - un effet que nous nous attendions à ce qu'il soit encore amélioré en présence d'un couplage spin-orbite, " Scheurer et Sachdev ont déclaré. " Les CSL sont liées aux phases de Hall quantique, avec la différence cruciale que les degrés de liberté mobiles ne sont pas des électrons mais plutôt des spinons, qui ne transportent que du spin et aucune charge électrique. En tant que tel, ils ne présentent pas de réponse Hall électrique quantifiée, mais en raison du transport de l'énergie, donnent une réponse Hall thermique quantifiée.

La théorie conçue par Scheurer, Sachdev et leurs collègues suggèrent que le champ magnétique appliqué dans les expériences étudiant l'effet Hall thermique entraîne la phase de Néel à proximité d'un CSL qui coexiste avec l'ordre de Néel. Dans leur étude, ils ont constaté que bien que le système non dopé soit resté dans la phase de Néel, cette proximité donne une grande réponse thermique Hall similaire, mais un peu plus petit, que celui observé dans les données de l'équipe de Taillefer. Les chercheurs ont également observé que la dépendance qu'ils ont prédite pour la conductivité thermique de Hall à la fois sur la température et le champ magnétique concorde bien avec les mesures.

La théorie proposée par les chercheurs représente ainsi une explication possible naturelle des observations frappantes de Taillefer et de ses collègues. Cette conductivité thermique de Hall ne peut pas être expliquée par la théorie des ondes de spin de l'état de Néel, qui était auparavant censé capturer très bien la physique des composés non dopés.

"Nos travaux indiquent que les excitations de spinon doivent être prises en compte, même en phase Néel, " Scheurer et Sachdev ont déclaré. "Notre étude illustre également que le couplage orbital du champ magnétique, bien qu'on s'attende à être faible par rapport au couplage Zeeman, peut jouer un rôle clé."

En plus de fournir une explication plausible aux conclusions recueillies par Taillefer et ses collègues, Scheurer, Sachdev et leurs collègues ont proposé une théorie efficace pour la transition entre l'état de Néel et le CSL. Cette théorie a quatre formulations « duales » différentes. En d'autres termes, il y a quatre théories qui semblent très différentes à première vue (par exemple, ils contiennent différents types de degrés de liberté élémentaires), mais décrivent essentiellement la même physique.

« Dans notre travail, nous pourrions relier les quatre théories aux degrés de liberté microscopiques des cuprates non dopés, " Scheurer et Sachdev ont expliqué. " Il est assez excitant de voir comment des déclarations abstraites de " dualités " entre les théories obtiennent une représentation concrète dans un matériau réel avec des conséquences directes pour les expériences sur la matière condensée. Nous espérons que les enseignements de nos récents travaux se révéleront utiles pour l'extension au système dopé."

Jusque là, l'équipe de chercheurs de l'Université Harvard et de l'Université de Californie a pu fournir une explication théorique viable des raisons pour lesquelles les composés de cuprate non dopés présentent une réponse Hall thermique améliorée. Dans leurs futurs travaux, ils prévoient d'approfondir ce sujet en élaborant sur les quatre « théories duales » différentes qu'ils ont proposées pour le mécanisme d'amélioration de l'effet Hall thermique.

"Comme nos calculs précédents sont basés sur une seule description, nous envisageons d'étudier les prédictions respectives de la conductivité thermique de Hall dans les trois autres théories; cela devrait également faire progresser notre compréhension de la physique derrière les dualités sous-jacentes, " Scheurer et Sachdev ont déclaré. "Un autre problème important pour les recherches futures sera d'étendre notre analyse au système dopé. Cela fera probablement la lumière sur la nature de la phase de pseudo-gap. »

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