[심상우 학부생/양희준 학생/박제근 교수] SrTiO3 열홀효과의 동위원소 치환 효과 측정 (Physical Review Letters 논문 게재)

비자성 절연체인 SrTi¹⁶O₃(STO16)에서 측정된 열홀효과는 105K에서의 구조 상전이 도메인(anti-ferro distortive domain)과 큰 유전 상수에 의한 효과로 추정됨이 2020년 초에 보고되었다. 본 연구에서는 ¹⁸O 산소 동위원소 치환이 이루어진 STO18 에 대해 같은 실험을 진행하였고, 10배 이상 줄어든 열홀 신호를 측정하였다. STO18 은 STO16과 동일한 구조 상전이 도메인과 큰 유전 상수를 가지는 물질이므로, SrTi¹⁶O3 에서의 열홀효과는 도메인 효과가 아닌 양자 임계점 근방에서의 양자요동(quantum critical fluctuation)에 의한 효과일 가능성을 제시한다. 이는 절연체에서의 포논홀효과 매커니즘을 정립하는 데 기여할 것으로 예상된다.

Abstract: We report measurements of the thermal Hall effect in single crystals of both pristine and isotopically substituted strontium titanate. We discovered a two orders of magnitude difference in the thermal Hall conductivity between SrTi¹⁶O₃ and ¹⁸O-enriched SrTi¹⁸O₃ samples. In most temperature ranges, the magnitude of thermal Hall conductivity (k_xy) in SrTi¹⁸O₃ is proportional to the magnitude of the longitudinal thermal conductivity (k_xx), which suggests a phonon-mediated thermal Hall effect. However, they deviate in the temperature of their maxima, and the thermal Hall angle ratio (|k_xy/k_xx|) shows anomalously decreasing behavior below the ferroelectric Curie temperature T_c ~25 K. This observation suggests a new underlying mechanism, as the conventional scenario cannot explain such differences within the slight change in phonon spectrum. Notably, the difference in magnitude of thermal Hall conductivity and rapidly decreasing thermal Hall angle ratio in SrTi¹⁸O₃ is correlated with the strength of quantum critical fluctuations in this displacive ferroelectric. This relation points to a link between the quantum critical physics of strontium titanate and its thermal Hall effect, a possible clue to explain this example of an exotic phenomenon in non-magnetic insulating systems.

참여 연구원: 심상우, 양희준, 김하림, Matt Coak, Mitsuru Itho, Yukio Noda, 박제근

Link1: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.015901

Link2: https://blog.naver.com/epgcqm/222177427440