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Evidencia de quiralidad de fonones debido a la dispersión de impurezas en el aislante antiferromagnético de óxido de iridio y estroncio

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(a) Ilustración del experimento térmico de Hall. Se aplica un gradiente de calor longitudinal al material en presencia de un campo magnético externo, lo que da como resultado la generación de un gradiente térmico transversal mediante fonones en cristales individuales de iridato aislantes. (b) Bosquejo de parte de la estructura cristalina de Sr.dosIrO4. Las flechas amarillas indican los espines de los átomos de iridio que confieren propiedades antiferromagnéticas al material. La introducción de dopaje con Rh en los sitios Ir provoca una señal térmica Hall 30 veces más intensa que la observada al reemplazar átomos de Sr por átomos de La. Imagen obtenida de: Martelli, V. Los fonones se curvan ante campos magnéticos. Física Nacional. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-023-02288-w

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(a) Ilustración del experimento térmico de Hall. Se aplica un gradiente de calor longitudinal al material en presencia de un campo magnético externo, lo que da como resultado la generación de un gradiente térmico transversal mediante fonones en cristales individuales de iridato aislantes. (b) Bosquejo de parte de la estructura cristalina de Sr.dosIrO4. Las flechas amarillas indican los espines de los átomos de iridio que confieren propiedades antiferromagnéticas al material. La introducción de dopaje con Rh en los sitios Ir provoca una señal térmica Hall 30 veces más intensa que la observada al reemplazar átomos de Sr por átomos de La. Imagen obtenida de: Martelli, V. Los fonones se curvan ante campos magnéticos. Física Nacional. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-023-02288-w

El efecto Hall térmico (THE) es un fenómeno físico caracterizado por pequeñas diferencias transversales de temperatura que se producen en un material cuando una corriente térmica lo atraviesa y se le aplica un campo magnético perpendicular. Este efecto se ha observado en un número cada vez mayor de aisladores, pero su física subyacente sigue siendo poco conocida.

Investigadores de la Universidad de Sherbrooke, en Canadá, han intentado identificar el mecanismo detrás de este efecto en diferentes materiales. Su artículo más reciente, Publicado en Física de la naturalezaexaminó específicamente este efecto sobre el aislante antiferromagnético óxido de iridio y estroncio (SrdosIrO4).

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«Nuestra actual actividad de investigación sobre THE en aisladores comenzó con nuestro descubrimiento de un gran THE en superconductores de cuprato”, dijo a Phys.org Louis Taillefer, coautor del artículo.

«Esto fue una gran sorpresa para todos, en particular el hecho de que el gran THE persistiera hasta el dopaje cero, donde los cupratos son aislantes de Mott. Esto despertó inmediatamente el interés de varios teóricos, entre ellos Steve Kivelson de Stanford y Subir Sachdev de Harvard».

Poco después del descubrimiento, los investigadores pudieron determinar que los portadores de calor responsables de este efecto en los aisladores de cuprato son fonones, ondas de energía vibratoria atómica oscilatoria. Estos hallazgos fueron descritos en un artículo publicado en Física de la naturaleza en 2020.

“La idea detrás de este trabajo era enviar la corriente de calor perpendicular al CuOdos planos, una dirección en la que sólo pueden viajar los fonones, pero no los electrones ni las excitaciones relacionadas con el espín», dijo Tallefer. Esto demostró que los fonones son los portadores de calor relevantes, como lo descubrió poco antes Grupo Kamran Behnia sobre titanato de estroncio«.

A la izquierda está el estudiante de doctorado Amirreza Ataei, autor principal del artículo, y a la derecha está el profesor Louis Taillefer, investigador principal del proyecto. Crédito: Michel Caron, Universidad de Sherbrooke

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A la izquierda está el estudiante de doctorado Amirreza Ataei, autor principal del artículo, y a la derecha está el profesor Louis Taillefer, investigador principal del proyecto. Crédito: Michel Caron, Universidad de Sherbrooke

Los resultados experimentales del equipo indicaron que los fonones respaldaban el THE que observaron en los aisladores de cuprato, pero se desconocía el mecanismo físico a través del cual permitieron este efecto. Posteriormente, su trabajo inspiró a muchos físicos teóricos a ofrecer una posible explicación para este mecanismo, incluidos Kivelson en la Universidad de Stanford, Sachdev en la Universidad de Harvard, Allan MacDonald en la Universidad de Texas y Leon Balents en KITP Santa Bárbara.

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«Nuestro enfoque experimental ha sido buscar el fonón THE en una amplia variedad de materiales», explicó Taillefer. “Uno de estos materiales es el aislante antiferromagnético de Cu3teo6. Otro es el iridato Sr.dosIrO4cuál es el tema de nuestro último artículo sobre Física de la naturaleza«.

Por lo tanto, como parte de su estudio reciente, Taillefer y sus colegas investigaron específicamente el efecto de las impurezas en el fonón inducido por THE en Sr.dosIrO4. Para ello, su colaboradora Véronique Brouet, del Laboratoire de Physique des Solides de la Universidad Paris-Saclay, introdujo dos tipos de impurezas en el material; primero impurezas de rodio (Rh) y luego impurezas de lantano (La).

«La gran sorpresa fue el enorme aumento de THE que vimos cuando se añadió una pequeña concentración de impurezas de Rh», dijo Taillefer. «Observamos un aumento de 70 veces con solo un 5% de Rh reemplazando a Ir. Esto es una fuerte indicación de que el fonón THE es causado por la dispersión de fonones por impurezas que están incrustadas en un ambiente antiferromagnético (en este caso, el IrOdos capas).»

Los nuevos hallazgos recopilados por Taillefer y sus colegas sugieren un posible mecanismo que podría subyacer al fonón THE observado en Sr.dosIrO4. Este mecanismo implica la dispersión de fonones por impurezas, posiblemente a través de procesos resonantes como los sugeridos por Kivelson o sachdev. Mientras tanto, los investigadores planean continuar su investigación sobre el efecto THE, centrándose en otros materiales.

Prudencia Febo

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