铀化合物达到创纪录的能斯特电导率

诸平

Fig. 1 Crystal structure and theoretical calculations of UCo0.8Ru0.2Al.

Fig. 2 Longitudinal transport and magnetization properties of single crystalline UCo0.8Ru0.2Al.

Fig. 3 Colossal anomalous transverse responses from UCo0.8Ru0.2Al with B∥c.

Fig. 4 Anomalous Hall and Peltier conductivity of various magnets. 

据美国能源部/洛斯阿拉莫斯国家实验室（DOE/Los Alamos National Laboratory）2021年3月26日提供的消息，新的研究表明，磁性铀化合物具有很强的热电特性，其热量产生的横向电压是钴锰镓化合物（cobalt-manganese-gallium compound）中以前记录的四倍。这一结果为元素周期表底部的镧系元素开辟了新潜力，并为拓扑量子材料的研究指明了新的方向。相关研究结果于2021年3月26日在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——T. Asaba, V. Ivanov, S. M. Thomas, S. Y. Savrasov, J. D. Thompson, E. D. Bauer, F. Ronning. Colossal anomalous Nernst effect in a correlated noncentrosymmetric kagome ferromagnet. Science Advances, 2021; 7 (13): eabf1467 DOI: 10.1126/sciadv.abf1467. https://advances.sciencemag.org/content/7/13/eabf1467

在《科学进展》杂志上发表的论文的首席研究员、洛斯阿拉莫斯国家实验室材料科学研究所（Institute for Materials Science at Los Alamos National Laboratory）所长菲利普·罗宁（Filip Ronning）说：“我们发现，在掺有钌的铀-钴-铝体系中，大的自旋轨道耦合和强的电子相关性导致了巨大的能斯特电导率异常。它表明铀和镧系合金（actinide alloys）是研究材料拓扑与强电子相关性之间相互作用的有前途的材料。我们对理解、调整并最终控制这种相互作用非常感兴趣，因此希望有一天我们可以利用其中的一些显著的反应。”

当一种材料将热流转换成电压时，就会发生能斯特响应。这种热电现象可用于从热源发电的设备中。当前最著名的例子是在洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）部分开发的放射性同位素热电发生器（radioisotope thermoelectric generators 简称RTG）。RTG使用钚-238（plutonium-238）的天然放射性衰变产生的热量来发电。一种这样的RTG目前正在为坚毅号火星漫游者（Perseverance rover on Mars）提供电源。

“令人兴奋的是，这种巨大的异常能斯特效应似乎是由于材料的丰富拓扑结构引起的。这种拓扑结构是由镧系元素中常见的大自旋轨道耦合产生的。” “金属拓扑结构的一个结果是产生了横向速度，正如我们观察到的那样，它可以引起能斯特响应。它还可以产生其他效应，例如在各种量子信息技术中可能有用的新型表面态。”

洛斯阿拉莫斯小组研究的铀系统每开尔文产生的温度变化为23微伏特-比以前的记录大四倍，该记录是几年前在钴-锰-镓合金（cobalt-manganese-gallium alloy）中发现的，也归因于这些拓扑起源。上述介绍仅供参考，更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The transverse voltage generated by a temperature gradient in a perpendicularly applied magnetic field, termed the Nernst effect, has promise for thermoelectric applications and for probing electronic structure. In magnetic materials, an anomalous Nernst effect (ANE) is possible in a zero magnetic field. We report a colossal ANE in the ferromagnetic metal UCo_0.8Ru_0.2Al, reaching 23 microvolts per kelvin. Uranium’s 5f electrons provide strong electronic correlations that lead to narrow bands, a known route to producing a large thermoelectric response. In addition, uranium’s strong spin-orbit coupling produces an intrinsic transverse response in this material due to the Berry curvature associated with the relativistic electronic structure. Theoretical calculations show that in UCo_0.8Ru_0.2Al at least 148 Weyl nodes, and two nodal lines, exist within 60 millielectron volt of the Fermi level. This work demonstrates that magnetic actinide materials can host strong Nernst and Hall responses due to their combined correlated and topological nature.