東京工業大學的材料科學家已經證明，一種新型磁性半導體在沒有大尺度磁有序的情況下，也存在一個巨大且非典型的反常霍爾電阻，證實了最近的理論預測。他們的發現加深了對反常霍爾效應的理解，而反常霍爾效應這種量子現象在此之前一直被認為與長程磁有序直接相關。
帶電粒子，如電子，在電場和磁場的影響下，可以以相互作用的方式運動。例如，對一個載流導體平面施加垂直的磁場時，內部流動的電子會由於磁力的作用而偏離方向，很快導體內部就會出現電勢差。這種現象被稱為“霍爾效應”。然而，霍爾效應並不只產生於磁體中。事實上，在具有長程磁有序的磁性材料（如鐵磁體）中，就可以觀測到這種現象。
“反常霍爾效應”（AHE）聽起來似乎和霍爾效應頗有關聯。然而，它的機制要複雜得多。目前，最為大家接受的一種觀點是，AHE是由被稱為“貝里曲率”的一種電子能帶內稟屬性產生的，這是電子自旋與其在材料內部的運動之間相互作用的結果，更常見的說法是“自旋軌道相互作用”。
貝里曲率是1998年沃爾夫物理學獎得主、英國數學物理學家邁克爾·貝里的發現。
1984年，貝里在研究中發現，當一個系統的哈密頓量依賴於一個隨時間週期變化的參量時，在絕熱近似條件下，系統在演化一個時間週期後，除了會累積一個固有的動力學相位以外，還會多出一個特殊的相位——它不依賴於絕熱條件，同時也不依賴引數的變化路徑，只依賴於其初始與最終的取值，是個系統內稟的屬性，這就是貝里相位。
在霍爾效應研究中，貝里相位常被近似為動量空間的磁通量，而其相應的貝里曲率則對應著動量空間的磁場，該等效磁場將對輸運電子產生一個正比於貝里曲率的橫向反常速度，構成反常霍爾效應的內稟機制。
貝里在第四屆WLF介紹相關前沿進展， 文末掃描二維碼觀看完整影片 | 圖：WLF
磁性排序對於反常霍爾效應來說必要嗎？最近有一種理論認為不必要。東京工業大學副教授內田正樹（Masaki Uchida）解釋道：“已經有理論提出，即使在磁序消失的溫度以上，也可能存在大規模的反常霍爾效應，特別是在具有低電荷流子密度、電子間強交換相互作用和有限自旋手性的磁性半導體中，這與運動方向的自旋方向有關。”內田教授的研究重點是凝聚態物理。
出於好奇，內田博士和合作者們決定檢驗這一理論。他們的最新研究發表在《科學進展》（Science Advances）上，探究了新型磁性半導體EuAs的磁性，在此之前僅知道這種半導體具有一種特殊的扭曲三角形晶格結構並在低於23K的溫度下觀察到了反鐵磁（AFM）性——相鄰電子自旋排列方向相反。此外，他們還觀察到，在外磁場的存在下，材料的電阻隨溫度急劇下降，這被稱為“龐磁阻效應”（CMR）。然而更有趣的是，在高於23K的溫度下雖然也觀測到了龐磁阻效應，但此時反鐵磁序消失。
內田博士評論說：“很容易理解的是，在EuAs中觀察到的龐磁阻效應是由稀釋的載流子和局域的Eu2+自旋之間的耦合引起的，這種耦合在很大的溫度範圍內持續存在。”
然而，真正引人注目的是霍爾電阻率隨溫度上升，並在70 K時達到峰值，遠高於反鐵磁序的溫度，這表明即使是沒有磁有序的情況下，也可能出現大的反常霍爾效應。為了理解產生這種非典型的大的反常霍爾效應，該團隊進行了模型計算，計算結果表明三角晶格上的自旋團簇對電子進行了斜散射，在“跳躍狀態”中，電子並不流動，而是從一個原子“跳躍”到另一個原子。
這些結果讓我們能更進一步地理解磁性固體中電子的奇異行為。樂觀的內田博士評論說：“我們的發現有助於闡明三角晶格磁性半導體，並可能導致一個新的研究領域，目標是稀釋載流子與非常規自旋排序和波動的耦合。”
編譯 劉璇
審稿 文婷
排版 楊周
責編 羽華
