普通半导体中的声子霍尔效应对凝聚态物质的既有观点提出挑战

编辑者: Svitlana Velhush

在世界各地的实验室中,晶体内的热流突然开始在磁场作用下发生偏转——而这并非发生在奇异材料中,而是发生在最普通的半导体和绝缘体中,例如硅、锗和氧化镁。

这里说的是声子热霍尔效应:描述原子晶格振动的准粒子在磁场影响下产生横向热流。此前人们认为,这种行为只存在于具有磁性或拓扑特性的材料中,在那里自旋或特殊激发起着作用。

新的测量表明,该效应普遍存在——出现在一大类非磁性晶体中。与此同时,横向热导率的大小与纵向热导率的平方成比例,这表明原子振动与磁场直接相互作用,而没有其他准粒子作为中介。

这一发现迫使人们重新审视关于声子在磁场中行为的基本认识。如果说以前在普通材料中热输运被认为主要是标量的、对磁场作用不敏感,那么现在就必须考虑一个新的自由度——声子的椭圆偏振及其与外场的相互作用。

对于实际应用而言,这意味着在未来的热电器件和冷却系统中,不仅可以借助温度梯度、还可以借助弱磁场来控制热流。这类材料已在电子学中使用,而该效应可能会影响芯片热工况的计算。

实验是在高质量样品上进行的,其中载流子的贡献极小,从而得以分离出纯粹的声子机制。结果与预测该现象对具有离散对称性的晶体具有普遍性的理论模型相符。

由此可见,凝聚态物质中声子曾被视为“简单”热载体的惯常图景变得更加复杂——并为在微观层面上控制热流开辟了新途径。

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来源

  • Physics Magazine on phonon thermal Hall effect

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