普通半導體中的聲子霍爾效應挑戰了凝聚態物質的既有觀點

编辑者: Svitlana Velhush

在世界各地的實驗室中,晶體內的熱流突然開始在磁場作用下發生偏轉——而這並非發生在奇異材料中,而是在最普通的半導體和絕緣體中,例如矽、鍺和氧化鎂。

這裡所說的是聲子熱霍爾效應:描述原子晶格振動的準粒子在磁場影響下產生橫向熱流。此前人們認為,這種行為僅見於具有磁性或拓撲特性的材料,其中自旋或特殊激發起著作用。

新的測量表明,該效應普遍地顯現——在一大類非磁性晶體中皆是如此。同時,橫向熱導率的數值與縱向熱導率的平方成標度關係,這表明原子振動與磁場直接相互作用,而無需其他準粒子作為中介。

這一發現迫使人們重新審視關於聲子在磁場中行為的基本認識。如果說過去人們認為在普通材料中熱輸運基本上是純量的,且對磁場作用不敏感,那麼現在就不得不考慮一個新的自由度——聲子的橢圓偏振及其與外場的相互作用。

就實際應用而言,這意味著在未來的熱電裝置和冷卻系統中,不僅可以透過溫度梯度、還可以透過弱磁場來控制熱流。這類材料已被用於電子產品中,而該效應可能會影響晶片熱狀態的計算。

實驗是在高品質樣品上進行的,其中電荷載子的貢獻極小,從而得以分離出純聲子機制。結果與預測該現象對具有離散對稱性的晶體具有普遍性的理論模型相符。

如此一來,凝聚態物質的慣常圖景——其中聲子被視為「簡單的」熱載體——變得更加複雜,並為在微觀層面上控制熱流開闢了新途徑。

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來源

  • Physics Magazine on phonon thermal Hall effect

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