研究人員在非共線反鐵磁體的反常霍爾效應研究上取得新進展

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《中國科學報》記者從華中科技大學獲悉，近日，該校國家脈沖強磁場科學中心極端量子輸運團隊在非共線反鐵磁體的反常霍爾效應的研究上取得了重要進展，發現了一種籠目反鐵磁體的反常霍爾效應在磁場中呈現為線性的案例，打破了學界在過去二十年中，關于反常霍爾效應隨磁場呈現為非線性的固有認知。相關研究結果近日在線發表于《自然-通訊》上。

Mn3Sn中的磁場誘導線性反常霍爾效應。受訪者供圖

霍爾效應是指縱向電流在垂直磁場作用下產生橫向電壓積累的一種現象。普通導體中霍爾效應隨磁場通常呈現為線性，但在鐵磁體中，霍爾效應通常呈現為非線性，這種非線性的霍爾響應被定義為反常霍爾效應。在過去二十年里，反常霍爾效應的內稟機理被確定為電子波函數的非平庸拓撲結構，即貝瑞曲率。一般而言，反常霍爾效應在磁場下呈現為非線性，線性響應是分離霍爾效應反常項與正常項的憑據，那么隨磁場呈現為線性的霍爾響應就是否一定不是反常霍爾效應？

針對這一問題，該團隊對一種籠目反鐵磁體Mn3Sn展開了橫向電和熱電輸運探索研究。他們測量了Mn3Sn的霍爾效應和能斯特效應，發現其面內霍爾信號ρxy雖然隨磁場呈現為完美線性，但是其值卻比基于載流子濃度的計算值大了五倍，其面內能斯特信號Sxy也比基于遷移率和費米能的計算值大了兩個數量級，這意味著其中隱藏著除普通載流子的額外貢獻。結合理論計算表明，這是由于沿著樣品z方向的磁場將誘導自旋朝面外傾斜并產生隨磁場呈線性的自旋手性，這種自旋手性誘導了外爾節點線的能隙打開，同時將貝瑞曲率推至費米面附近并產生隨磁場呈線性增長的凈積累，從而形成了一種隨磁場呈現為線性的新型反常霍爾和能斯特效應。

這項研究成果揭示了籠目材料中自旋手性導致的實空間貝瑞相位與動量空間貝瑞曲率的有趣統一。