科技日報記者 張佳欣
由日本東京大學和美國約翰斯·霍普金斯大學領導的國際研究團隊，在共線反鐵磁體中發(fā)現(xiàn)了異常霍爾效應。異常霍爾效應產(chǎn)生于非費米液體，電子在其中不會按照傳統(tǒng)模型相互作用。這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了解釋異常霍爾效應的教科書理論框架，還拓寬了可用于信息技術的反鐵磁體范圍。研究成果18日發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。
在傳統(tǒng)理論框架中，異常霍爾效應被視為鐵磁材料的“專利”。自旋是電子的固有屬性，通常被描述為“向上”或“向下”。在鐵磁體中，自旋朝同一方向排列，使材料磁化。這種磁化作用甚至可在沒有外部磁場的情況下產(chǎn)生與電流垂直的電壓，這就是異常霍爾效應。相比之下，反鐵磁體的自旋朝相反方向排列，從而有效抵消了磁化作用。因此，理論上，異常霍爾效應不會在反鐵磁體中出現(xiàn)。然而，事實并非如此。
此前已有科學家報告稱，在某一類共線反鐵磁體中出現(xiàn)了異常霍爾效應，但觀測到的信號極其微弱。因此，確定一種真正無磁化的異常霍爾效應具有重要的科學和技術意義。
此次，研究人員使用了過渡金屬二硫化物（TMD）材料作為二維結構單元。通過在原子層之間插入磁性離子，研究人員控制電子的運動和相互作用。這種經(jīng)過修改的三維結構有可能展現(xiàn)出在二維狀態(tài)下不可能出現(xiàn)的新行為。
最終觀測結果顯示，該材料在寬溫區(qū)（含室溫）和強磁場環(huán)境下均呈現(xiàn)穩(wěn)定異常霍爾效應。這是首個實驗證據(jù)，證明科學家在共線反鐵磁體中觀測到異常霍爾效應。
由于異常霍爾效應通常被認為與磁化作用相伴而生，因此這一發(fā)現(xiàn)表明，背后可能存在遠超一般理解的因素。研究人員推測，材料獨特的電子能帶結構可能產(chǎn)生巨大“虛擬磁場”，在無磁化狀態(tài)下增強了異常霍爾效應。
下一步，研究人員計劃通過實驗證據(jù)來證實這一假設，并利用拉曼光譜等技術開展一系列后續(xù)研究，以揭示其潛在機制。
