東京工業(yè)大學(xué)的材料科學(xué)家已經(jīng)證明,一種新型磁性半導(dǎo)體在沒有大尺度磁有序的情況下,也存在一個(gè)巨大且非典型的反常霍爾電阻,證實(shí)了最近的理論預(yù)測。他們的發(fā)現(xiàn)加深了對反常霍爾效應(yīng)的理解,而反常霍爾效應(yīng)這種量子現(xiàn)象在此之前一直被認(rèn)為與長程磁有序直接相關(guān)。
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(yùn)動(dòng)。例如,對一個(gè)載流導(dǎo)體平面施加垂直的磁場時(shí),內(nèi)部流動(dòng)的電子會(huì)由于磁力的作用而偏離方向,很快導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)電勢差。這種現(xiàn)象被稱為“霍爾效應(yīng)”。然而,霍爾效應(yīng)并不只產(chǎn)生于磁體中。事實(shí)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(xiàn)象。
“反?;魻栃?yīng)”(AHE)聽起來似乎和霍爾效應(yīng)頗有關(guān)聯(lián)。然而,它的機(jī)制要復(fù)雜得多。目前,最為大家接受的一種觀點(diǎn)是,AHE是由被稱為“貝里曲率”的一種電子能帶內(nèi)稟屬性產(chǎn)生的,這是電子自旋與其在材料內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)之間相互作用的結(jié)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(xué)獎(jiǎng)得主、英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家邁克爾·貝里的發(fā)現(xiàn)。
1984年,貝里在研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的哈密頓量依賴于一個(gè)隨時(shí)間周期變化的參量時(shí),在絕熱近似條件下,系統(tǒng)在演化一個(gè)時(shí)間周期后,除了會(huì)累積一個(gè)固有的動(dòng)力學(xué)相位以外,還會(huì)多出一個(gè)特殊的相位——它不依賴于絕熱條件,同時(shí)也不依賴參數(shù)的變化路徑,只依賴于其初始與最終的取值,是個(gè)系統(tǒng)內(nèi)稟的屬性,這就是貝里相位。
在霍爾效應(yīng)研究中,貝里相位常被近似為動(dòng)量空間的磁通量,而其相應(yīng)的貝里曲率則對應(yīng)著動(dòng)量空間的磁場,該等效磁場將對輸運(yùn)電子產(chǎn)生一個(gè)正比于貝里曲率的橫向反常速度,構(gòu)成反常霍爾效應(yīng)的內(nèi)稟機(jī)制。
貝里在第四屆WLF介紹相關(guān)前沿進(jìn)展, 文末掃描二維碼觀看完整視頻 | 圖:WLF
磁性排序?qū)τ诜闯;魻栃?yīng)來說必要嗎?最近有一種理論認(rèn)為不必要。東京工業(yè)大學(xué)副教授內(nèi)田正樹(Masaki Uchida)解釋道:“已經(jīng)有理論提出,即使在磁序消失的溫度以上,也可能存在大規(guī)模的反?;魻栃?yīng),特別是在具有低電荷流子密度、電子間強(qiáng)交換相互作用和有限自旋手性的磁性半導(dǎo)體中,這與運(yùn)動(dòng)方向的自旋方向有關(guān)?!眱?nèi)田教授的研究重點(diǎn)是凝聚態(tài)物理。
出于好奇,內(nèi)田博士和合作者們決定檢驗(yàn)這一理論。他們的最新研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上,探究了新型磁性半導(dǎo)體EuAs的磁性,在此之前僅知道這種半導(dǎo)體具有一種特殊的扭曲三角形晶格結(jié)構(gòu)并在低于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(yīng)”(CMR)。然而更有趣的是,在高于23K的溫度下雖然也觀測到了龐磁阻效應(yīng),但此時(shí)反鐵磁序消失。
內(nèi)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(yīng)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范圍內(nèi)持續(xù)存在?!?/span>
然而,真正引人注目的是霍爾電阻率隨溫度上升,并在70 K時(shí)達(dá)到峰值,遠(yuǎn)高于反鐵磁序的溫度,這表明即使是沒有磁有序的情況下,也可能出現(xiàn)大的反常霍爾效應(yīng)。為了理解產(chǎn)生這種非典型的大的反常霍爾效應(yīng),該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了模型計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明三角晶格上的自旋團(tuán)簇對電子進(jìn)行了斜散射,在“跳躍狀態(tài)”中,電子并不流動(dòng),而是從一個(gè)原子“跳躍”到另一個(gè)原子。
這些結(jié)果讓我們能更進(jìn)一步地理解磁性固體中電子的奇異行為。樂觀的內(nèi)田博士評論說:“我們的發(fā)現(xiàn)有助于闡明三角晶格磁性半導(dǎo)體,并可能導(dǎo)致一個(gè)新的研究領(lǐng)域,目標(biāo)是稀釋載流子與非常規(guī)自旋排序和波動(dòng)的耦合?!?/span>
編譯 劉璇
審稿 文婷
排版 楊周
責(zé)編 羽華