Термический Холл‑эффект фононов: роль дефектов, отжига и металлических контактов

Тепло, которое изгибается вбок

Когда тепло проходит через твёрдое тело, мы обычно ожидаем, что оно пойдёт прямо от горячего места к холодному. В некоторых кристаллах однако магнитное поле заставляет часть этого теплового потока отклоняться вбок — загадочный эффект, который, по-видимому, переносится не электронами, а самими колебаниями кристаллической решётки. В этом исследовании поставлен простой, но ключевой вопрос для этого странного бокового переноса тепла: является ли он хрупкой особенностью несовершенных образцов или встроенным свойством кристаллической решётки?

Боковое тепло в электрическом изоляторе

Работа сосредоточена на стронций титанате — электрическом изоляторе, в котором ранее наблюдали этот боковой тепловой поток, называемый термическим Холл‑эффектом. Поскольку свободных зарядов нет, тепло переносится главным образом фононами — квантовыми колебаниями кристалла. Удивительно то, что в магнитном поле часть этого фононного теплового тока идёт перпендикулярно наложенному градиенту температуры. Авторы поставили задачу прояснить, как этот сигнал зависит от качества кристалла, внутренних механических деформаций в образце и от способа крепления измерительных проводов.

Чистые кристаллы — сильный сигнал

Команда измерила теплоперенос в четырёх кристаллах стронций титаната от разных поставщиков, охватывая диапазон от относительно дефектных до очень чистых образцов. Все они вели себя похоже при комнатной температуре, но при низких температурах чистые кристаллы переносили тепло вдоль основного направления значительно эффективнее — признак более длинных пробегов фононов. Боковой отклик показал ещё более резкий контраст: в высококачественных кристаллах наблюдался явный поперечный сигнал, тогда как в более дефектных образцах он почти отсутствовал. Эта сильная антикорреляция между дефектностью и боковым потоком тепла указывает на то, что эффект является внутренним свойством идеального кристалла и легко подавляется при нарушении атомного порядка.

Термообработка, которая восстанавливает эффект

Чтобы проверить роль внутренних деформаций и протяжённых дефектов, исследователи подвергли более дефектные кристаллы отжигу в воздухе при высокой температуре. После такой обработки обычная теплопроводность вдоль градиента почти не изменилась, что указывает на сохранение средней длины пробега фононов между соударениями. Тем не менее боковой термический Холл‑сигнал, ранее слишком слабый для обнаружения, вновь проявился отчётливо. В одном образце повторный отжиг сначала дал нерегулярный сигнал в разных точках зондирования, а затем сделал его однородным, что согласуется с выравниванием внутренней деформации. Такое рассоединение показывает, что величина бокового теплового потока не определяется просто длиной пробега фононов, а зависит от согласованности отклика кристалла по его внутренним доменам.

Проверка, не вводят ли в заблуждение провода

Некоторые недавние теоретические работы ставили под сомнение, могли ли металлические контактные площадки, часто сделанные из серебряной пасты, сами по себе создавать ложные боковые температурные сигналы. Авторы изучили этот вопрос, сравнив измерения в одном и том же кристалле с металлическими контактами и с изолирующим, но теплопроводным кремом. Они не обнаружили значимых различий ни в продольном, ни в поперечном тепловом отклике. В их геометрии и при относительно больших наблюдаемых сигналах вклад контактов кажется пренебрежимо малым, что говорит о том, что ранее сообщавшиеся сигналы термического Холл‑эффекта фононов в сходных условиях вряд ли являются артефактами проводки.

Что это значит для бокового тепла

В целом эксперименты показывают, что в стронций титанате боковой перенос тепла, переносимый фононами, является подлинным свойством кристаллической решётки — очень чувствительным к дефектности и внутренним деформациям, но в значительной степени не зависящим от типа контактов, используемых для измерений. Уточняя эти практические ограничения, работа сужает круг возможных микроскопических объяснений и создаёт более ясную основу для будущих теорий, стремящихся объяснить, как нейтральные колебания в твёрдом теле могут быть отклонены вбок магнитным полем.

Цитирование: Xiang, Q., Li, X., Guo, X. et al. Phonon thermal Hall effect: the roles of disorder, annealing, and metallic contacts. npj Quantum Mater. 11, 40 (2026). https://doi.org/10.1038/s41535-026-00876-6

Ключевые слова: термический Холл‑эффект фононов, стронций титанат, теплоперенос, дисордер в кристалле, отжиг