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Magnetothermopower and Nernst effect in unconventional charge density waves

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arXiv:cond-mat/0308335v1 [cond-mat.str-el] 17 Aug 2003MagnetothermopowerandNernsteffectinunconventionalchargedensitywaves

Bal´azsD´ora1,KazumiMaki2,Andr´asV´anyolos3andAttilaVirosztek3,41TheAbdusSalamICTP,StradaCostiera11,I-34014,Trieste,Italy2DepartmentofPhysicsandAstronomy,UniversityofSouthernCalifornia,LosAngelesCA90089-0484,USA3DepartmentofPhysics,BudapestUniversityofTechnologyandEconomics,H-1521Budapest,Hungaryand4ResearchInstituteforSolidStatePhysicsandOptics,P.O.Box49,H-1525Budapest,Hungary(Dated:February2,2008)

Recentlywehaveshownthatthestrikingangulardependentmagnetoresistanceinthelowtem-peraturephase(LTP)ofα-(BEDT-TTF)2KHg(SCN)4isconsistentlydescribedintermsofuncon-ventionalchargedensitywave(UCDW).HereweinvestigatetheoreticallythethermoelectricpowerandtheNernsteffectinUDW.Thepresentresultsaccountconsistentlyfortherecentdataofmag-netothermopowerinα-(BEDT-TTF)2KHg(SCN)4obtainedbyChoietal.(Phys.Rev.B,65,205119(2002)).ThisconfirmsfurtherouridentificationofLTPinthissaltasUCDW.WeproposealsothattheNernsteffectprovidesaclearsignatureofUDW.

PACSnumbers:75.30.Fv,71.45.Lr,72.15.Eb,72.15.Nj

Recentlymanypossiblecandidatesforunconventional

chargedensitywave(UCDW)andunconventionalspin

densitywave(USDW)havebeenproposed,thoughin

mostcasesdefinitiveconfirmationisstilllacking.These

aretheantiferromagneticphaseofURu2Si2[1,2],the

pseudogapphaseinhighTccuprates[3,4,5,6],the

CDWinNbSe2[7,8]andthelowtemperaturephase

(LTP)inα-(BEDT-TTF)2MHg(SCN)4withM=K,Rb

andTl[9,10,11,12,13].Inthelastsystemnot

onlythequalitativefeaturesofLTP,liketheabsence

ofaclearchargeorder,butalsoboththetemperature

andmagneticfielddependenceofthethresholdelectric

field[9,10,11]andthestrikingangulardependentmag-

netoresistance(ADMR)[12,13]arefullyconsistentwith

UCDW.Inthesestudiesthequantizationofthequasi-

particlespectruminthepresenceofmagneticfieldas

consideredbyNersesyanetal.[14,15]playsthecrucial

role.

Theobjectofthepresentpaperistoextendourearlier

studytothethermoelectricpowerandNernsteffectin

UDW(i.e.UCDWandUSDW)inthepresenceofmag-

neticfield.WhentheZeemansplittingorthePauliterm

duetomagneticfieldisnegligiblecomparedtotheorbital

effect,therewillbenodistinctionbetweenUCDWand

USDW,whichwewillassumeinthefollowings.Firstwe

discussbrieflyhowtheeffectofmagneticfieldisincor-

poratedfollowingRefs.[14,15].Thenweconstructthe

expressionsforthermopowerandNernsteffectinUDW.

ThesearecomparedwitharecentdatabyChoietal.[16]

onα-(BEDT-TTF)2KHg(SCN)4.Indeedwecandescribe

theexperimentaldataveryconsistently.

Intheabsenceofmagneticfieldthequasiparticleen-

ergyinUCDWisgivenby[17]

(E+ε(k))Ψ=(−iva∂xρ3+∆cos(ckz)ρ1)Ψ,(1)

whereρi’sarethePaulimatricesactingonspinorspace

oftheleftandrightmovingelectronsonthequasi-one

dimensionalFermisurfaceandtheimperfectnestingtermε(k)isgivenby[13]

ε(k)=∞󰀉

n=−∞εncos(2b′nk),(2)

whereb′n=b′[ˆrb+tan(θn)(ˆracosφ0+ˆrcsinφ0)],εn=

ε02−|n|,tan(θn)=tan(θ0)+nd0,tan(θ0)≃0.5,d0≃

1.25,φ0≃27◦[18,19,20],andφistheanglethepro-

jectedmagneticfieldonthea−cplanemakesfrom

thec-axis.Thisgeneralizedimperfectnestingterm

arisesfromaneffectivetightbindingapproximation,

wherehoppingtakesplacebetweensitesintheˆrbdirec-

tionandalongnearestneighbourchainsorientedinthe

ˆracosφ0+ˆrcsinφ0direction.Eq.(1)isreadilysolvedas

E=±󰀋√2

whereφnisthen-thwavefunctionofalinearharmonic

oscillatorwithparameters”mass”m=1/2v2aand”fre-

quency”ω=2va∆ceBcos(θ).FromEq.(7)itisobvious,

thatthen=0levelsaretwofolddegenerate,sinceΨn=0iscomposedofthen−1-thandn-thwavefunctionofthe

harmonicoscillator.NowmakinguseoftheLandauwave

functionsweevaluatethecontributionfromtheimper-

fectnestingtermasperturbation.Thenwegetforthe

Landaulevels:

E0,1=−E(1)0,(8)

E1,1=±E1−E(1)1,(9)

E1,2=±E1−E(2)1,(10)

and

En=󰀋

cosh(x1)+cosh(ζ0)+

+exp(−x1)+cosh(ζ1)e[σ0ζ0+

+σ1󰀂

ζ0exp(−x1)+cosh(ζ0)

cosh(x1)+cosh(ζ1)+

+x1󰀂sinh(ζ0)

cosh(x1)+cosh(ζ1)󰀄󰀄󰀇

(15)

WenoteherethatS(B,θ,φ)vanishesintheabsenceof

imperfectnesting.BeforecomparingEq.(15)withex-

perimentaldata,weshallconsidertheNernsteffect.

TheNernsteffectistheoffdiagonalcomponentofthe

thermoelectricpowerinthepresenceofmagneticfield.

Alsoitsformulationisdifferentfromabove.Wehave

seenalreadythatquasiparticleinUDWorbitsaroundthe

magneticfield.ThenwhenanelectricfieldEisapplied

withaperpendicularcomponenttothemagneticfield

B,thequasiparticleorbitdriftswithvD=(E×B)/B2.

ThentheheatcurrentparalleltovDisgivenbyJh=

TSvD,whereSistheentropyassociatedwiththecircling

quasiparticles:

S=eB󰀉

n󰀈ln(1+exp(−βEn))+βEn(1+exp(βEn))−1󰀊,

(16)

thesumoverEnhastobetakenoveralltheLandau

levels,andthemagneticfieldisassumedtobeperpen-

diculartothea−cplane(θ=0◦).ThenforsmallT

andlargeB,Eq.(16)iswellapproximatedbytaking

then=0andn=1Landaulevels.Moreover,when

thezerothordercontributionfromtheenergyspectrum

(i.e.theLandaulevelswithoutimperfectnesting)isfi-

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铁基超导

铁基超导

铁基超导

超导是物理世界中最奇妙的现象之一。正常情况下，电子在金属中运动时，会因为金属晶格的不完整性（如缺陷或杂质等）而发生弹跳损耗能量，即有电阻。而超导状态下，电子能毫无羁绊地前行。这是因为当低于某个特定温度时，电子即成对，这时金属要想阻碍电子运动，就需要先拆散电子对，而低于某个温度时，能量就会不足以拆散电子对，因此电子对就能流畅运动。

传统的解释常规超导体的超导电性的微观理论预言，超导体的最高温度不会超过麦克米兰极限的39K。在以往的研究中，只有1987年发现的铜氧化合物超导体打破了这一极限，被称为高温超导体。最近，在铁基磷族化合物中发现的超导电性其超导临界温度可达55K，同样突破了传统理论预言的麦克米兰极限。这是第一个非铜基的高温超导体，掀起了高温超导研究的又一次热潮。

铁基超导的研究进入了一个空前发展的阶段，各国都在进行这一新材料的研究，铁基超导体薄膜研究进展与铁基超导体大同位素效应就是其中的热点。

从2008年新的铁基高温超导体发现以来，铁基超导薄膜的研究进展相对缓慢。这是因为较难精确控制人们所需要的亚稳相中的多元素配比、以及多种热力学相之间的互相竞争。由于元素配比和不同热力学相竞争所导致的较少量的杂质，在块状材料的合成中有时可以接受，但对低维的薄膜材料却不能允许。迄今已发现四种主要晶体结构的铁基超导体，包括含砷或磷（chalcogens）的1111相、122相、111相，以及含氧硫族元素（pnictogens）的11相。它们都具有超导的Fe-X（X为As、P、Se、S或Te等）层，且前三类超导体中这些层由La-O等隔离层隔开，而超导的11相FeSe、Fe(Se,Te)只有Fe-X层，晶体结构最简单。目前人们只得到了11相的单相、外延、超导薄膜。而对含砷的铁基超导体而言，经过近两年的探索，仍未能得到单相的超导薄膜。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导实验室的曹立新副研究员带领博士生韩烨、李位勇，与相关科研人员合作，在国际上率先制备出单相的外延FeSe超导薄膜（第十届全国超导薄膜和超导电子器件学术研讨会，大连，2008年10月11日-15日），率先发表文章（Journal of Physics: Condensed

磁电耦合效应 知乎

磁电耦合效应 知乎

磁电耦合效应

磁电耦合效应（Magneto-electric coupling effect）是指磁场和电场之间发生相互作用，导致材料在外加磁场或外加电场下表现出电子自旋或磁性的变化。

这种效应可在某些特殊的材料中观察到，被称为多铁材料或多铁性材料。通常，多铁材料能够同时表现出磁性和铁电性，这意味着它们具有可控的磁性和电性。磁电耦合效应提供了一种通过调节磁场或电场来控制材料性质的方法。

在多铁材料中，磁电耦合效应可以表现为以下几种形式：

1. 磁电耦合电流效应（ME Coupling current effect）：外加磁场可以改变材料内部结构，导致产生电流从而改变材料的电性质。这种效应被广泛应用于磁记忆存储器和磁阻器等器件的设计。

2. 磁电耦合电阻效应（ME Coupling resistance effect）：外加磁场改变材料的电导率或电阻率，使得电阻发生变化。这种效应可应用于磁阻传感器和磁电存储器等器件。

3. 磁电耦合介质效应（ME Coupling dielectric effect）：外加电场可以改变材料的磁性质，如改变磁化强度、磁化方向或磁耗等。这种效应可用于磁电介质器件和非易失性存储器等应用。

磁电耦合效应的研究对于开发新型的多功能器件和磁电耦合材料具有重要意义。基于这种效应，科学家和工程师能够设计出更灵活和高效的磁电器件，为磁电转换、磁存储和传感器等领域带来新的突破和应用。

超快磁光克尔效应

超快磁光克尔效应

超快磁光克尔效应

超快磁光克尔效应（Ultrafast Magneto-Optic Kerr Effect，简称UMOKE）是一种物理现象，涉及磁性材料和光的相互作用。这种效应主要发生在已磁化的物质表面，当入射的线偏振光在这样的物质表面反射时，其振动面会发生旋转。这种旋转是由于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在磁性材料中的传播速度不同，以及它们吸收程度的不同，导致相位差和振幅差。当这些光从材料表面反射后，原本的线偏振光会转变为椭圆偏振光，这种现象被称为磁光克尔效应。

磁光克尔效应的应用非常广泛，特别是在磁畴观察、磁光存储、薄膜磁性原位表征、自旋电子学、太阳磁场测量、原子操纵和冷却、光隔离等方面。例如，在磁光存储技术中，磁光克尔效应被用来读取磁性材料的磁化状态。此外，磁光克尔效应还被用于研究超薄磁性膜、磁化动态过程和自旋霍尔效应等领域。

铁基磁性薄膜反常能斯特效应的研究

铁基磁性薄膜反常能斯特效应的研究

铁基磁性薄膜反常能斯特效应的研究

近年来,电子元器件持续小型化,其集成度和运行速度也在不断提高。然而这造成器件的局域高温严重降低了电子元器件的运行速度及使用寿命。因此合理地吸收并利用器件的废热己成为发展高效率、低功耗绿色信息技术的关键。铁磁材料所特有的反常能斯特效应(anomalous Nernst effect,ANE)由于能够实现热能向电能的转换而备受关注。目前,关于铁磁材料ANE的研究主要集中在结构设计方面,然而铁磁层本身的反常能斯特效应对器件整体效应起至关重要的作用。因此,为了提升基于反常能斯特效应的热电器件单位磁矩热电转换效率,从铁磁材料内禀因素探索反常能斯特效应的物理机制及增大反常能斯特效应不仅具有理论研究意义也有着重要的应用价值。现已有理论研究表明反常能斯特效应与自旋轨道耦合能(spin orbit

coupling,SOC)及费米面位置息息相关。基于此,本论文的研究分为以下三个方向:1.选取不同组分的Feo.5(PtxPd1-x)0.5(FePtPd)(0≤x≤1)三元合金薄膜作为研究对象,通过改变FePtPd合金中Pt和Pd的成分含量,连续且单一地调控体系的自旋轨道耦合能,从而研究自旋轨道耦合能对反常能斯特效应的影响机制。采用直流磁控溅射法在石英玻璃衬底上制备了厚度为20±2 nm的FePtPd三元合金薄膜。样品均为fcc结构。对不同成分样品的ANE进行测量,发现随着施加于热源的加热电流1增大,温度梯度(?)T增大,反常能斯特电压VANE呈增大的趋势。VANE随加热功率P线性增大。研究还发现反常能斯特效率vN随着Pt原子占比的增加而增大,这是由于sSOC的增强导致的。这部分工作全面给出SOC对ANE的调控规律与机制,将有助于下一代自旋电子元器件及热电器件的研发。2.选取不同组分的FexNi1-x(FeNi)(x=0-0.55,1)外延合金薄膜作为研究对象,通过改变FeNi合金成分,连续且单一地调控体系的费米面位置,从而研究费米面位置对反常能斯特效应的影响机制。采用直流磁控溅射法在单晶MgO(001)衬底上制备了厚度为40±3 nm的FeNi外延薄膜。对不同成分样品的ANE进行测量,发现所有样品随着施加于热源的加热电流1的增大,其反常能斯特电压VANE数值增大。而随着加热功率P的增大,VANE数值线性增大。对于fcc FexNi1-x(x=0.55)薄膜样品随着Fe含量x的增大,VANE及反常能斯特效率vN增大,由理论计算可知随着Fe原子对Ni的替换,其费米能级将升高,进而影响了VANE和vN的大小。而bcc Fe外延薄膜相较于fcc FeNi合金,其VANE及vN发生骤减及变号,这是由能带填充效应引起的内禀机制贡献改变导致的。这部分工作深刻揭示了FeNi外延体系中ANE的微观机制,将为调控及增大反常能斯特效应提供新思路。3.选择无序(FexNi1-x)0.5Pt0.5(0≤x≤1)三元合金体系,一方面FexNi1-x体系结论对比,发现掺入重金属Pt后,体系SOC增强,ANE亦有所增强。另一方面,通过改变Fe和Ni相对原子含量来调节体系的费米面位置,结论表明随着Fe原子的增多,费米面位置升高,VANE和vN皆增大。