Lima Kristal Ungkap Mengapa Panas Berbelok dalam Medan Magnet

Perbedaan sepuluh kali lipat mengarah pada kristal itu sendiri

Lima kristal dari bahan isolator yang sama menghantarkan panas dengan sama baiknya sepanjang kristal, tetapi respons menyampingnya terhadap medan magnet berbeda sekitar sepuluh kali lipat. Perbedaan ini merupakan temuan utama penelitian tentang NiPS3, kristal magnetik berlapis yang menawarkan cara untuk memahami teka-teki fisika sejak 2005: mengapa panas yang dibawa oleh getaran netral secara listrik dapat berbelok dalam medan magnet.

Kolaborasi ini melibatkan para peneliti di National Pulsed High Magnetic Field Science Center, Huazhong University of Science and Technology, di Wuhan, serta ESPCI Paris di Prancis. Pengukuran mereka mengaitkan respons panas menyamping dengan sifat magnetik kristal, bukan dengan jarak yang ditempuh pembawa panas di antara tumbukan.

Para peneliti menafsirkan kaitan tersebut sebagai bukti mekanisme intrinsik, yakni mekanisme yang berakar pada perilaku magnetik dan vibrasi bahan yang saling berinteraksi. Temuan ini memberi para ilmuwan uji eksperimental untuk membedakan penjelasan tersebut dari mekanisme yang menghasilkan respons menyamping melalui pengotor atau pusat hamburan lainnya.

Makalah penelitian tentang NiPS3, yang versi kedua arXiv-nya bertanggal 1 Oktober 2024, mencatat konduktivitas termal menyamping puncak sekitar -1,63 watt per meter per kelvin pada suhu 25 kelvin dan medan 14 tesla. Suhu tersebut setara dengan sekitar minus 248 derajat Celsius. Tanda minus menunjukkan arah respons menyamping menurut konvensi pengukuran dalam eksperimen.

Penelitian ini diumumkan sehubungan dengan publikasinya di Science pada 23 Oktober 2026 waktu Beijing, yang bertepatan dengan 22 Oktober waktu setempat, dan disebut sebagai artikel sampul. Uraian eksperimental terperincinya sudah tercantum dalam manuskrip 2024.

Bagaimana panas bisa berbelok tanpa muatan listrik?

Efek Hall listrik biasa terjadi ketika medan magnet mendorong muatan listrik yang bergerak ke arah samping. Muatan menumpuk di sepanjang konduktor sehingga menghasilkan tegangan yang tegak lurus terhadap arus awal.

NiPS3 adalah isolator listrik. Panas bergerak di dalamnya terutama sebagai getaran kisi kristal, yaitu susunan atom yang teratur. Fisikawan menyebut paket-paket getaran ini fonon, sebagaimana paket cahaya disebut foton.

Fonon membawa energi tanpa membawa muatan listrik bersih. Karena itu, fonon tidak mengalami gaya magnet konvensional yang membelokkan gerak elektron. Namun, perbedaan suhu dapat muncul di sepanjang kristal isolator ketika panas mengalir melaluinya dan medan magnet diterapkan tegak lurus terhadap aliran tersebut. Para ilmuwan menyebutnya efek Hall termal fonon.

Bukti eksperimental pertama muncul pada 2005. Sejak itu, perdebatan utama berpusat pada mekanismenya: apakah respons menyamping timbul dari perilaku kolektif kristal atau dari hamburan asimetris saat fonon berinteraksi dengan pengotor, cacat, atau gangguan lain. Keduanya merupakan penjelasan fisik atas sinyal yang terukur, tetapi menempatkan asalnya pada proses yang berbeda.

Pengukuran dengan medan magnet kuat

NiPS3 mengandung nikel, fosfor, dan sulfur. Atom-atom nikelnya membentuk lapisan kisi sarang lebah, dan momen magnetiknya membentuk susunan antiferomagnetik zig-zag di bawah 155 kelvin, atau sekitar minus 118 derajat Celsius. Antiferomagnetisme berarti momen-momen magnetik tersusun dalam pola yang saling berlawanan, bukan semuanya mengarah ke arah yang sama.

Tim menumbuhkan kristal tunggal menggunakan metode transportasi uap kimia dan mengukur aliran panas sepanjang serta melintasi kristal secara bersamaan dengan satu pemanas dan tiga termokopel. Cara ini memungkinkan para peneliti membandingkan arus panas utama dengan respons suhu menyamping yang lebih kecil.

Pengukuran magnetisasi dilakukan hingga 55 tesla pada suhu 4,2 kelvin menggunakan medan magnet berdenyut. Tidak ditemukan transisi magnetik dalam rentang tersebut. Pengukuran Hall termal yang diuraikan dalam manuskrip mencapai 14 tesla, ketika respons menyamping berubah secara linear mengikuti medan yang diterapkan.

Konduktivitas termal utama mencapai puncak 274 watt per meter per kelvin. Ketergantungan suhunya hampir sama pada medan nol dan 14 tesla, dan mencapai puncak pada suhu yang sama dengan konduktivitas menyamping. Para peneliti mengidentifikasi fonon sebagai pembawa panas dominan, sementara eksitasi magnetik hanya sedikit berkontribusi pada arus panas utama.

Mengapa membandingkan lima sampel penting

Lima kristal NiPS3 memberi peluang perbandingan yang berguna karena transportasi panas biasa di dalamnya pada dasarnya tidak berubah. Kurva konduktivitas longitudinalnya saling bertumpuk, begitu pula kapasitas panasnya.

Akibatnya, panjang lintasan bebas rata-rata fonon, yaitu jarak rata-rata yang ditempuh suatu getaran sebelum mengalami hamburan, pada dasarnya sama di seluruh sampel. Analogi sederhananya adalah lima jalan yang memungkinkan kendaraan melaju dengan jarak yang sama di antara gangguan.

Respons menyampingnya sangat berbeda. Puncaknya sekitar sepuluh kali lebih besar pada satu kristal dibandingkan kristal lainnya, meski kemampuan keduanya menghantarkan panas ke depan serupa. Hal ini memberi tim cara untuk membandingkan perilaku magnetik dengan menjaga transportasi panas biasa tetap nyaris konstan.

Beberapa mekanisme hamburan yang diajukan memprediksi bahwa respons menyamping seharusnya meningkat seiring panjang lintasan bebas rata-rata fonon. Salah satu model yang dibahas dalam makalah tersebut menyatakan bahwa konduktivitas longitudinal sebanding dengan jarak itu, sedangkan konduktivitas transversal sebanding dengan kuadratnya. Sebaliknya, eksperimen NiPS3 menemukan perubahan besar pada konduktivitas transversal sementara panjang lintasan bebas rata-ratanya tetap nyaris sama.

Para penulis, yakni peneliti yang menyelidiki transportasi termal di NiPS3, menyatakan kesimpulan mereka dalam abstrak makalah:

Relevansi suatu sifat termodinamika, disertai tidak relevannya panjang lintasan bebas rata-rata, mengarah pada asal yang intrinsik.

Arah magnetik yang mengikuti sinyal

Konduktivitas menyamping mengikuti anisotropi magnetik kristal, yang berarti respons magnetiknya bergantung pada arah. Magnetisasi sepanjang arah yang diberi label a hampir sama pada kelima sampel. Sepanjang arah b, magnetisasi bervariasi sekitar 30% antara sampel dengan anisotropi paling tinggi dan paling rendah.

Kembaran kristal membantu menjelaskan variasi tersebut. Kristal kembar mengandung daerah-daerah dengan kisi yang saling berotasi. Dalam bahan ini, daerah-daerah tersebut dapat berbagi sumbu yang sama, tetapi berotasi sebesar 120 derajat. Perbedaan komposisi daerah-daerah ini mengubah respons magnetik yang terukur pada arah tertentu.

Sampel yang paling mendekati kristal dengan satu orientasi dominan memiliki respons Hall termal terbesar. Sampel dengan populasi yang hampir setara dari tiga kemungkinan orientasi memiliki respons terkecil. Dengan demikian, susunan magnetik dan susunan kristal berpengaruh meski transportasi panas ke depan tetap sama.

Pengukuran torsi memberikan pemeriksaan tambahan. Pengukuran ini melacak perubahan energi bebas magnetik saat arah medan berputar. Energi bebas menggambarkan energi yang tersedia bagi suatu sistem dalam kondisi tertentu; dalam hal ini, variasinya menurut arah mengukur seberapa kuat kristal cenderung memilih orientasi magnetik tertentu. Sifat kesetimbangan ini mengikuti sinyal panas menyamping sehingga menjadi dasar argumen termodinamika dalam penelitian tersebut.

Bagaimana getaran dapat memperoleh respons magnetik

Penjelasan mikroskopis yang diajukan melibatkan magnon, yakni gelombang kolektif dalam susunan momen magnetik. Fonon menggambarkan getaran atom, sedangkan magnon menggambarkan gerak magnetik. Keterkaitan keduanya memungkinkan kedua jenis gerak saling memengaruhi.

Para peneliti membandingkan spektrum fonon hasil perhitungan dengan spektrum magnon yang diperoleh dari pengukuran hamburan neutron. Spektrum ini menunjukkan energi yang tersedia bagi gelombang yang merambat melalui kristal. Beberapa cabang fonon dan magnon saling berpotongan, dengan persilangan terendah yang teridentifikasi berada di sekitar 3,7 milielektronvolt.

Pada persilangan seperti itu, keterkaitan kedua jenis gerak dapat menciptakan dua mode campuran yang mengandung gerak vibrasi sekaligus magnetik. Komponen magnetiknya memberi jalur bagi eksitasi gabungan tersebut untuk merespons medan, sedangkan komponen vibrasinya membawa panas.

Persilangan terjadi sepanjang arah ruang resiprokal yang berkaitan dengan sumbu b kristal, sehingga mekanisme yang diajukan terhubung dengan arah yang berpengaruh dalam pengukuran magnetisasi. Para penulis juga memperoleh skala energi sekitar 1 milielektronvolt dari ketergantungan respons Hall terhadap suhu. Mereka menyajikan kaitan-kaitan ini sebagai dukungan bagi hibridisasi magnon dan fonon; mekanisme mikroskopis terperincinya masih perlu diuji lebih lanjut.

Fosfor hitam memberi petunjuk sebelumnya

Temuan terkait terbit di Nature Communications pada 23 Februari 2023. Penelitian fosfor hitam mengkaji bahan unsur tanpa keteraturan magnetik, sehingga para peneliti dapat menyelidiki efek Hall termal fonon dalam kondisi yang lebih sederhana.

Konduktivitas longitudinal dan transversal bahan tersebut mencapai puncak pada suhu yang hampir sama, seperti pada NiPS3. Pada 12 tesla, sudut Hall termal yang terukur dalam dua konfigurasi masing-masing sekitar 0,005 dan 0,0012, setara dengan 0,5% dan 0,12%. Sudut tersebut menyatakan gradien suhu menyamping relatif terhadap gradien suhu utama.

Pada berbagai bahan isolator yang dibandingkan dalam makalah itu, panjang karakteristik yang dihitung dari respons Hall berkisar antara sekitar 2 dan 7 angstrom, sebanding dengan jarak antaratam. Sementara itu, panjang lintasan bebas rata-rata fonon bervariasi lebih dari tiga orde besaran, atau lebih dari 1.000 kali lipat.

Para peneliti fosfor hitam mengajukan bahwa keterkaitan antara cabang vibrasi akustik dan distribusi muatan listrik yang tidak merata di sekitar ikatan dapat menghasilkan respons magnetik. Mereka juga tetap mempertimbangkan mekanisme hamburan sebagai salah satu kemungkinan. NiPS3 menambahkan cara eksperimental yang berbeda: lima sampel dengan transportasi panas ke depan yang hampir identik, tetapi respons magnetik dan transversal yang sangat berbeda.

Memanaskan kristal lain membantu membedakan gangguan dari asal respons

Penelitian lain yang terbit di npj Quantum Materials pada 24 Maret 2026 mengkaji empat kristal strontium titanat dari pemasok berbeda. Penelitian tentang gangguan dan anil ini melibatkan Xiaokang Li, Kamran Behnia, dan Zengwei Zhu, yang juga berpartisipasi dalam penelitian NiPS3.

Sampel strontium titanat berkualitas lebih baik menghasilkan sudut Hall termal hingga 0,3% dan 0,15% pada 9 tesla. Kristal dengan lebih banyak gangguan nyaris tidak menghasilkan sinyal. Memanaskan kristal-kristal yang mengalami gangguan di udara pada suhu 1.000 derajat Celsius memulihkan sebagian respons, hingga sekitar 0,1% pada 9 tesla, sementara konduktivitas termal longitudinalnya nyaris tidak berubah.

Anil, yakni pemanasan terkendali yang diikuti pendinginan, dapat membuat regangan internal lebih seragam. Para penulis mengidentifikasi gangguan dan regangan yang tidak merata sebagai faktor yang menekan respons intrinsik. Hasil mereka menunjukkan mengapa keberadaan cacat dapat sangat berpengaruh, meskipun cacat bukan sumber efek Hall yang diajukan.

Tim juga membandingkan kontak pasta perak metalik dengan kontak gemuk isolator pada sampel yang sama dan memperoleh hasil pengukuran yang tidak dapat dibedakan. Untuk eksperimen yang mengukur sinyal sangat kecil, seperti sudut di bawah 0,02% pada 10 tesla, mereka merekomendasikan pemeriksaan lebih lanjut terhadap kemungkinan kontribusi kontak.

Upaya penelitian dari 2005 hingga 2026

Kolaborasi NiPS3 dipimpin oleh para peneliti di Wuhan dan Paris. Liang Li, direktur National Pulsed High Magnetic Field Science Center, bekerja sama dengan Zengwei Zhu dan fisikawan ESPCI Paris Kamran Behnia. Mahasiswa doktoral Qingkai Meng dan peneliti madya Xiaokang Li menjadi penulis pertama bersama.

Sejumlah tonggak bertanggal menunjukkan perkembangan argumen eksperimental tersebut:

• 2005: Para peneliti menerbitkan bukti eksperimental pertama tentang efek Hall fonon dalam kristal isolator.
• 23 Februari 2023: Penelitian fosfor hitam mengaitkan efek tersebut dengan vibrasi akustik dan menemukan tidak adanya korelasi dengan panjang lintasan bebas rata-rata fonon.
• 1 Oktober 2024: Versi kedua manuskrip NiPS3 terbit di arXiv.
• 24 Maret 2026: Penelitian strontium titanat mendokumentasikan efek gangguan, anil, dan bahan kontak.
• 23 Oktober 2026, waktu Beijing: Penelitian NiPS3 diumumkan sehubungan dengan publikasi daringnya di Science.

Secara keseluruhan, eksperimen-eksperimen ini mengarahkan perhatian pada orientasi magnetik, vibrasi yang saling terkait, dan regangan internal sebagai faktor pengendali transportasi panas menyamping. Bagi laboratorium yang berupaya mereproduksi efek ini, mengukur seberapa baik kristal menghantarkan panas ke depan hanyalah sebagian dari pekerjaan. Susunan magnetik dan strukturalnya juga perlu diteliti dengan saksama.

Poin Utama

• Lima kristal NiPS3 menunjukkan variasi konduktivitas termal menyamping sekitar sepuluh kali lipat, sementara transportasi panas longitudinalnya pada dasarnya tetap sama.
• Respons Hall mengikuti anisotropi magnetik dan energi bebas magnetik yang bergantung pada arah, mendukung asal intrinsik.
• Konduktivitas Hall termal mencapai puncak sekitar -1,63 watt per meter per kelvin pada 25 kelvin dan 14 tesla.
• Persilangan magnon dan fonon di sekitar 3,7 milielektronvolt menawarkan jalur yang mungkin bagi vibrasi pembawa panas untuk merespons medan magnet.
• Eksperimen fosfor hitam dan strontium titanat juga mengaitkan respons tersebut dengan sifat di luar jarak tempuh fonon, termasuk keterkaitan vibrasi, gangguan, dan regangan.