科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

由日本東京大學(xué)和美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，在共線(xiàn)反鐵磁體中發(fā)現(xiàn)了異常霍爾效應(yīng)。異常霍爾效應(yīng)產(chǎn)生于非費(fèi)米液體，電子在其中不會(huì)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(yīng)的教科書(shū)理論框架，還拓寬了可用于信息技術(shù)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(yīng)被視為鐵磁材料的“專(zhuān)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(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下產(chǎn)生與電流垂直的電壓，這就是異常霍爾效應(yīng)。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(yīng)不會(huì)在反鐵磁體中出現(xiàn)。然而，事實(shí)并非如此。

此前已有科學(xué)家報(bào)告稱(chēng)，在某一類(lèi)共線(xiàn)反鐵磁體中出現(xiàn)了異常霍爾效應(yīng)，但觀(guān)測(cè)到的信號(hào)極其微弱。因此，確定一種真正無(wú)磁化的異常霍爾效應(yīng)具有重要的科學(xué)和技術(shù)意義。

此次，研究人員使用了過(guò)渡金屬二硫化物（TMD）材料作為二維結(jié)構(gòu)單元。通過(guò)在原子層之間插入磁性離子，研究人員控制電子的運(yùn)動(dòng)和相互作用。這種經(jīng)過(guò)修改的三維結(jié)構(gòu)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(guān)測(cè)結(jié)果顯示，該材料在寬溫區(qū)（含室溫）和強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下均呈現(xiàn)穩(wěn)定異常霍爾效應(yīng)。這是首個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明科學(xué)家在共線(xiàn)反鐵磁體中觀(guān)測(cè)到異常霍爾效應(yīng)。

由于異常霍爾效應(yīng)通常被認(rèn)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(yuǎn)超一般理解的因素。研究人員推測(cè)，材料獨(dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生巨大“虛擬磁場(chǎng)”，在無(wú)磁化狀態(tài)下增強(qiáng)了異常霍爾效應(yīng)。

下一步，研究人員計(jì)劃通過(guò)實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)證實(shí)這一假設(shè)，并利用拉曼光譜等技術(shù)開(kāi)展一系列后續(xù)研究，以揭示其潛在機(jī)制。