Preuve de la chiralité des phonons provenant de la diffusion d'impuretés dans l'oxyde d'iridium de strontium de l'isolant antiferromagnétique

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(a) Illustration de l'expérience du Hall thermal. Un gradient thermique longitudinal est appliqué au matériau en présence d'un champ magnétique externe, entraînant la génération d'un gradient thermique transversal par les phonons dans les monocristaux d'iridate isolants. (b) Croquis d'une partie de la structure cristalline de Sr₂ IrO₄ . Les flèches jaunes indiquent les spins des atomes d'iridium qui confèrent une propriété antiferromagnétique au matériau. L'introduction du dopage Rh sur les sites Ir provoque un signal de Hall thermique 30 fois plus intense que celui observé lors de la substitution d'atomes de Sr par des atomes de La. Image obtenue de :Martelli, V. Les phonons se plient aux champs magnétiques. *Nat. Physique* . (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-023-02288-w

L'effet Hall thermique (THE) est un phénomène physique caractérisé par d'infimes différences transversales de température se produisant dans un matériau lorsqu'un courant thermique le traverse et qu'un champ magnétique perpendiculaire lui est appliqué. Cet effet a été observé chez un nombre croissant d'isolants, mais sa physique sous-jacente reste mal comprise.

Des chercheurs de l'Université de Sherbrooke au Canada ont tenté d'identifier le mécanisme à l'origine de cet effet dans différents matériaux. Leur article le plus récent, publié dans Nature Physics , a spécifiquement examiné cet effet dans l'oxyde d'iridium de strontium de l'isolant antiferromagnétique (Sr₂ IrO₄ ).

"Notre activité de recherche actuelle sur le THE dans les isolants a commencé avec notre découverte d'un grand THE dans les supraconducteurs cuprates", a déclaré Louis Taillefer, co-auteur de l'article, à Phys.org.

"Cela a été une grande surprise pour tout le monde, en particulier le fait que le grand THE a persisté jusqu'à un dopage nul, où les cuprates sont des isolants de Mott. Cela a immédiatement suscité l'intérêt de divers théoriciens, dont Steve Kivelson de Stanford et Subir Sachdev de Harvard. ."

Peu de temps après leur découverte, les chercheurs ont pu déterminer que les caloporteurs responsables de cet effet dans les isolants en cuprate sont des phonons, des ondes d’énergie vibratoire atomique oscillatoire. Ces résultats ont été présentés dans un article publié dans Nature Physics. en 2020.

"L'idée derrière ce travail était d'envoyer le courant thermique perpendiculairement au CuO₂ "Cela montre que les phonons sont les caloporteurs pertinents, comme l'a découvert juste avant le groupe de Kamran Behnia dans le titanate de strontium."

À gauche, la doctorante Amirreza Ataei, auteur principal de l'article, et à droite, le professeur Louis Taillefer, chercheur principal du projet. Crédit :Michel Caron, Université de Sherbrooke

Les résultats expérimentaux de l'équipe ont indiqué que les phonons étaient à l'origine du THE observé dans les isolants en cuprate, mais le mécanisme physique par lequel ils ont permis cet effet restait inconnu. Leurs travaux ont ensuite inspiré de nombreux physiciens théoriciens à proposer une explication possible de ce mécanisme, notamment Kivelson de l'Université de Stanford, Sachdev de l'Université de Harvard, Allan MacDonald de l'Université du Texas et Leon Balents du KITP Santa Barbara.

"Notre approche expérimentale a consisté à rechercher le phonon THE dans une grande variété de matériaux", a expliqué Taillefer. "L'un de ces matériaux est l'isolant antiferromagnétique Cu₃ TeO₆ . Un autre est l'irisé Sr₂ IrO₄ , qui est le sujet de notre dernier article dans Nature Physics ."

Ainsi, dans le cadre de leur récente étude, Taillefer et ses collègues ont spécifiquement recherché l'effet des impuretés sur le THE induit par les phonons dans Sr₂ IrO₄ . Pour ce faire, leur collaboratrice Véronique Brouet du Laboratoire de Physique des Solides de l'Université Paris-Saclay a introduit deux types d'impuretés dans le matériau; d'abord les impuretés de rhodium (Rh), puis les impuretés de lanthane (La).

"La grande surprise a été l'énorme amélioration du THE que nous avons constatée lorsqu'une petite concentration d'impuretés Rh était ajoutée", a déclaré Taillefer. "Nous avons observé une multiplication par 70 avec seulement 5 % de Rh remplaçant Ir. Ceci est une forte indication que le phonon THE est causé par la diffusion de phonons par des impuretés intégrées dans un environnement antiferromagnétique (dans ce cas, l'IrO2 calques)."

Les nouvelles découvertes recueillies par Taillefer et ses collègues suggèrent un mécanisme possible qui pourrait être à la base du phonon THE observé dans Sr₂ IrO₄ . Ce mécanisme implique la diffusion des phonons par des impuretés, éventuellement via des processus résonants tels que ceux suggérés par Kivelson ou Sachdev. Pendant ce temps, les chercheurs prévoient de poursuivre leurs recherches sur l'effet THE, en se concentrant sur divers autres matériaux.

"Une direction pour les recherches futures sera de voir si les matériaux candidats aux états liquides de spin quantique génèrent un THE qui ne provient pas de phonons, mais plutôt d'excitations émergentes exotiques, telles que les fermions ou les spinons de Majorana", a ajouté Taillefer.>

"Le matériel du candidat inclut RuCl₃ et Na₂ Cu₂ TeO₆ . Une autre direction, cette fois pour le phonon THE, sera de comprendre comment certains matériaux peuvent générer un THE lorsque le champ magnétique appliqué est parallèle au courant thermique; le soi-disant « LE planaire ». Déconcertant!"

Fin 2023, Taillefer et ses collègues ont publié divers articles sondant le THE planaire dans différentes classes de matériaux. Leurs études se sont jusqu'à présent concentrées sur les isolants antiferromagnétiques frustrés, les matériaux Kitaev et les cuprates.

Plus d'informations : A. Ataei et al, Chiralité des phonons due à la diffusion d'impuretés dans la phase antiferromagnétique de Sr2IrO4, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-024-02384-5.

Informations sur le journal : Physique de la nature