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열 홀 효과

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목차

1. 개요

열 홀 효과는 도체 또는 반도체에 온도 차이와 자기장이 가해질 때, 열의 흐름이 자기장의 영향을 받아 횡 방향으로 온도 차이가 발생하는 현상이다. 이는 홀 효과의 열적 아날로그이며, 리기-르두크 효과라고도 불린다. 열 홀 효과는 전자가 열을 전달하므로, 한쪽 면이 다른 쪽보다 더 뜨거워지는 현상을 보인다. 열 홀 계수는 재료에 따라 다르며, 전기 전도도와 홀 계수와 관련된다.

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  • 홀 효과 - 에드윈 홀
    에드윈 허버트 홀은 홀 효과를 발견하고 하버드 대학교 물리학 교수로 재직하며 물리학 교과서를 저술한 미국의 물리학자이다.
  • 홀 효과 - 양자 홀 효과
    양자 홀 효과는 강한 자기장과 저온의 2차원 전자계에서 홀 전도율이 기본 상수의 정수배 또는 분수배로 양자화되는 현상으로, 정수 양자 홀 효과는 전기 저항 표준 및 미세 구조 상수 결정에 활용되며, 분수 양자 홀 효과는 전자 간 상호작용에 의해 발생하고, 란다우 준위 등의 개념으로 설명되며 위상 물질 연구 등에 응용된다.
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열 홀 효과
개요
이름열 홀 효과
로마자 표기Yeol Hol hyogwa
영어 이름Thermal Hall effect
열 홀 효과에 대한 설명
열 홀 효과에 대한 설명
설명
정의자기장이 가해진 물질에서 온도 구배와 수직 방향으로 열 흐름이 발생하는 현상
원인대전된 입자의 로렌츠 힘
포논의 스핀-포논 상호작용
관련 효과홀 효과
제베크 효과
네른스트 효과
응용
분야열전 소자
스핀트로닉스
위상 물질 연구
예시 물질강자성체
반강자성체
위상 절연체
SrTiO3
Y₂Ti₂O₇
흑린
연구 동향
최근 연구포논 홀 효과의 거시적 증거 제시 (C. Strohm, G. L. J. A. Rikken, P. Wyder, 2005)
스트론튬 티타네이트 (SrTiO3)에서의 포논 열 홀 효과 발견 (X. Li, B. Fauqué, Z. Zhu, K. Behnia, 2020)
전하 보상된 위상 절연체에서의 포논 열 홀 효과 (R. Sharma, M. Bagchi, Y. Wang, Y. Ando, T. Lorenz, 2024)
비자성 Y₂Ti₂O₇에서의 포논 열 홀 효과 (R. Sharma, M. Valldor, T. Lorenz, 2024)
흑린에서의 포논 열 홀 각도 측정 (X. Li, Y. Machida, A. Subedi, Z. Zhu, L. Li, K. Behnia, 2023)
구리 산화물 초전도체의 유사갭 상에서의 거대한 열 홀 전도도 (G. Grissonnanche, 2019)

2. 리기-르두크 효과

리기-르두크 효과는 도체나 반도체에서 온도 차이와 자기장을 이용하여 또 다른 온도 차이를 발생시키는 현상이다. 이는 홀 효과의 열적 현상으로, 전기가 아닌 열을 이용한다는 점이 다르다.

2. 1. 정의

도체 또는 반도체에 x 방향으로 온도 차이가 있고, 이에 수직한 z 방향으로 자기장 B가 가해지면, 횡 방향 y-방향으로 온도 차이가 발생할 수 있다.

:\frac{\partial T}{\partial y} = R_{\mathrm{TH}} B \frac{\partial T}{\partial x}

리기-르두크 효과는 홀 효과의 열적 아날로그이다. 홀 효과에서는 외부에서 가해진 전압이 전류를 흐르게 한다. 가동 전하 운반자(보통 전자)는 로렌츠 힘에 의해 자기장에 의해 횡 방향으로 편향된다. 리기에-르두크 효과에서는 온도 차이가 가동 전하 운반자를 더 따뜻한 쪽에서 더 차가운 쪽으로 흐르게 한다. 여기서도 로렌츠 힘은 횡 방향 편향을 일으킨다. 전자가 열을 전달하므로 한쪽 면이 다른 쪽보다 더 뜨거워진다.

열 홀 계수 R_{\mathrm{TH}} (때로는 리기에-레듀크 계수라고도 함)는 재료에 따라 다르며 테슬라−1 단위를 갖는다. 이는 전기 전도도 \sigma 에 의해 홀 계수 R_{\mathrm{H}} 와 다음과 같이 관련된다.

:R_{\rm TH}=\sigma R_{\rm H}

2. 2. 홀 효과와의 관계

리기-르두크 효과는 홀 효과의 열적 유사 현상이다. 홀 효과에서는 외부에서 가해진 전압이 전류를 흐르게 하고, 가동 전하 운반자(보통 전자)는 로렌츠 힘에 의해 자기장에 의해 횡 방향으로 편향된다. 리기-르두크 효과에서는 온도 차이가 가동 전하 운반자를 더 따뜻한 쪽에서 더 차가운 쪽으로 흐르게 하고, 로렌츠 힘이 횡 방향 편향을 일으킨다. 전자가 열을 전달하므로 한쪽 면이 다른 쪽보다 더 뜨거워진다.

2. 3. 리기-르두크 계수

도체 또는 반도체에 x 방향으로 온도 차이가 있고, 이에 수직한 z 방향으로 자기장 B가 가해지면, 횡 방향(y 방향)으로 온도 차이가 발생할 수 있다.

:\frac{\partial T}{\partial y} = R_{\mathrm{TH}} B \frac{\partial T}{\partial x}

리기-르두크 효과는 홀 효과의 열적 아날로그이다. 홀 효과에서는 외부에서 가해진 전압이 전류를 흐르게 한다. 가동 전하 운반자(보통 전자)는 로렌츠 힘에 의해 자기장에 의해 횡 방향으로 편향된다. 리기-르두크 효과에서는 온도 차이가 가동 전하 운반자를 더 따뜻한 쪽에서 더 차가운 쪽으로 흐르게 한다. 여기서도 로렌츠 힘은 횡 방향 편향을 일으킨다. 전자가 열을 전달하므로 한쪽 면이 다른 쪽보다 더 뜨거워진다.

열 홀 계수 R_{\mathrm{TH}}(때로는 리기-르두크 계수라고도 함)는 재료에 따라 다르며 테슬라−1 단위를 갖는다. 이는 전기 전도도 \sigma 에 의해 홀 계수 R_{\mathrm{H}}와 다음과 같이 관련된다.

:R_{\rm TH}=\sigma R_{\rm H}

참조

[1] 서적 Principles of Inorganic Materials Design https://books.google[...] John Wiley and Sons 2011-04-25
[2] 논문 Phenomenological Evidence for the Phonon Hall Effect http://scitation.aip[...] 2005-10-07
[3] 논문 Phonon thermal Hall effect in strontium titanate APS
[4] 논문 Phonon thermal Hall effect in charge-compensated topological insulators APS
[5] 논문 Phonon thermal Hall effect in nonmagnetic Y₂Ti₂O₇ APS
[6] 논문 The phonon thermal Hall angle in black phosphorus Nature Publishing Group UK London
[7] 논문 Giant thermal Hall conductivity in the pseudogap phase of cuprate superconductors https://www.nature.c[...] 2019-07-17


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