非互易光子系统中的逆自旋热霍尔效应

论文信息：

Philippe Ben-Abdallah. Inverse Spin Thermal Hall Effect in Non-Reciprocal Photonic Systems, arXiv:2410.15691

论文链接：

https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.15691

研究背景

自旋霍尔效应（SHE）及其对等的逆自旋霍尔效应（ISHE）通过利用材料中电荷电流和自旋动力学之间的耦合，为现代自旋电子学铺平了道路，这是无可争议的。最近，在发现非互易材料中的奇异辐射输运现象后，如光子热霍尔效应和平衡系统中存在持续热流，基于非互易系统内热光子传输的热流与其角动量之间的联系，出现了热自旋光子学（TSP）。这个TSP提供了前所未有的控制由热源发射的光子角动量的可能性。在这篇论文中，我们预测了非互易系统中由自旋角动量梯度驱动的逆热霍尔效应的存在，为光的自旋角动量局部控制辅助热管理铺平了道路。为了突出这种效应，也称为逆自旋热霍尔效应（ISTHE），我们通过施加不均匀的外部磁场，在相同温度下的两个粒子之间的磁光纳米粒子的规则网络中产生自旋角动量梯度。然后，我们计算了垂直于这个初级梯度方向的粒子的平衡温度，以突出横向温度梯度的存在。这一发现通过光的自旋角动量的局部和动态控制，为非互易系统的热管理和能量转换开辟了新的途径。

研究内容

首先，为了证明光子热霍尔效应，我们考虑一个由四个半径为R的相同球形纳米粒子组成的系统（图1），该系统由InSb制成，InSb是一种磁光材料，形成C4对称网络，并浸入温度为Tb的热浴中。我们假设沿x轴的两个粒子在温度T1=T2=T~=Tb+∆T时连接到一个热储，而另外两个粒子则自由地在它们自己的平衡温度T3和T4下相对于环境温度和施加在系统上的外部磁场Hext(r)达到平衡。当均匀场垂直于粒子网络作用于整个系统时，不存在霍尔通量，且T3 = T4。另一方面，正如我们将在这里看到的，当一个不均匀的磁场通过系统施加时，两个不恒温的粒子达到两个不同的平衡温度。因此，热流是与磁场梯度横向交换的。

图1,(a)常规逆自旋霍尔效应（ISHE）示意图。通过材料的自旋电流产生横向电荷电流；(b)在不存在温度梯度（即T1 = T2 = T ~）的空间可变外磁场下，由磁光纳米粒子组成的C4对称非互反网络中的逆自旋热霍尔效应（ISTHE）。

当 ∆H = 0 时，即使 T~= Tb ，颗粒 3 和颗粒 4 之间也普遍存在温差，如图 2(c) 所示。还要注意，浴槽和粒子 1 和粒子 2 之间的温度梯度足以确保存在横向温度梯度。当 T~ =310 K ， Tb = 300 K 时（图 2(a) ），使用非线性系统（ 14 ）的溶液，当 T1 = T2 = Tb 时（图 2(b) ），不同的 ∆H 值，在半径为 R = 50nm 的 InSb 纳米颗粒的正方阵中绘制出该温差 ∆T 。我们可以看到，当 H ext 值很小时， ∆T 为正，当外磁场强度增大时， ∆T 为负。我们还注意到，温度差对该场通过网络的梯度非常敏感。需要强调的是，这种横向温度梯度的存在与光子热霍尔效应有着根本的不同，后者需要在 x 方向上存在温度梯度。图 2 中的插图显示了粒子 3 的温度，它表明粒子 3 和粒子 4 在 T ~ 和 Tb 之间的不同温度下达到平衡。

图2,(a)当浴温为Tb = 300 K, T1 = T2 = Tb + 10时，ISTHE在InSb球形纳米颗粒（R = 50 nm）的规则方形晶格中产生的横向温度梯度∆T = T3 - T4随外加磁场（z方向）大小的变化。 (b) T1 = T2 = Tb时的侧向温度梯度。

如图3所示，这种温差负责这些粒子之间的能量φISTHE≡φ34的永久交换，在稳态状态下，这些粒子中的每一个从所有周围粒子和外部浴池接收的净功率显然总是零。同时，我们看到，这个横向能量的变化，在磁场的作用下，表现出了一种非平凡的行为，它的偶数符号，随着磁场的大小变化了好几次。当φISTHE变为负值且∆T > 0时(φISTHE < 0和∆T < 0)，说明外磁场引起泵浦效应。即使粒子1和粒子2被设置在与热浴相同的温度下，这种泵浦也存在，这表明与光子热霍尔效应相比，这种效应的本质是根本不同的。

在图4(a)中我们可以看到，Hext的梯度通过系统诱导出SAM的非平凡变化。这种“驱动力”直接导致了系统内部温度分布的不对称，如图2所示。如图4(b)所示，在Hext = 1T,∆H = 0.5T的特定情况下，SAM的非消失分量Sz的空间分布表明，系统上下半面之间存在微小的不对称性。

结论与展望

综上所述，在非互易网络中，由于热光子自旋角动量梯度引起的对称破缺，已经预测了ISTHE效应。这种效应可以在热管理领域找到直接的应用。利用磁场梯度驱动的自旋角动量变化，开发基于自旋的热机是另一个有前途的途径。最后，自旋的动态控制可以在热释电能量转换中找到应用。

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