고체에서 원자들의 평형점 근방에서의 진동을 양자역학에서 포논(phonon)이라고 하는데, 포논도 각운동량을 가질 수 있다. 본 연구에서는 고체에 온도 기울기 (temperature gradient)를 주면 포논 각운동량이 온도 기울기에 수직방향으로 수송이 될 수 있음을 처음으로 증명하였고, 해당 물리 현상을 포논 각운동량 홀효과라 명명하였다. 포논 각운동량 홀효과는 평행 음향 포논(longitudinal acoustic phonon)과 수직 음향 포논(transverse acoustic phonon)이 존재하는 모든 고체에서 나타나는 일반적인 현상으로 절연체의 각운동량 수송 성질에 결정적인 기여를 하는 것으로 예상된다.

The spin Hall effect is the transverse flow of the electron spin in response to an external electric field. Similarly, the temperature gradient in magnets can drive a transverse flow of the magnon spin, which provides a thermal alternative for spin manipulation. Recently, phonon angular momentum (PAM), the angular momentum of atoms resulting from their orbital motion around their equilibrium positions, has garnered attention as a quantity analogous to the magnon spin. Here, we report that the temperature gradient generally induces a transverse flow of PAM, which we term the phonon angular momentum Hall effect (PAMHE). The PAMHE arises whenever there are transverse and longitudinal acoustic phonons, and it is therefore ubiquitous in condensed matter systems. As a consequence of the PAMHE, PAM accumulates at the crystal edges. When the atoms in the crystal carry a non-zero Born effective charge, the edge PAM induces edge magnetization, which can be observed through optical measurement.

Authors: Sungjoon Park (서울대, IBS CCES) and Bohm-Jung Yang (서울대, IBS CCES)

Publication date: 21 September 2020

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.0c03220