面內磁場與電流垂直或平行時仍存在霍爾信號 | NSR

2020-09-22 知社學術圈

研究者在非磁性拓撲材料ZrTe5器件中發現了超越理論預期的非常規霍爾效應，不同於經典霍爾效應和已知的面內霍爾效應，這種非常規霍爾效應在面內磁場與電流方向垂直(B⊥I)和平行(B∥I)時依然存在。


1879年，美國物理學家霍爾發現了經典的霍爾效應：當對一個導體施加垂直於電流方向的面外磁場時，電荷的運動軌跡在磁場下發生偏轉，從而在沿與電流和磁場都垂直的方向上表現出非零的電阻率。

近期研究又發現了面內霍爾效應：在拓撲材料中，當磁場與電流在同一個平面內時，貝裡曲率會誘導出面內霍爾電阻率。不同於經典霍爾效應，面內霍爾效應中霍爾電阻率ρyx是磁場的偶函數（關於磁場B對稱，滿足ρyx (-B)=ρyx(B)）；與經典霍爾效應相同的是，當面內磁場垂直(B⊥I)或平行(B∥I)於電流時，面內霍爾信號消失。

霍爾與經典霍爾效應（圖源網絡）

最近，北京大學物理學院量子材料科學中心王健教授、謝心澄院士，北京師範大學物理學系劉海文研究員和美國橡樹嶺國家實驗室Jiaqiang Yan博士、David Mandrus教授等組成的合作團隊在非磁性拓撲材料ZrTe5器件中發現了非常規霍爾效應，當面內磁場與電流方向垂直(B⊥I)和平行(B∥I)時依然存在霍爾信號。文章發表於《國家科學評論》(National Science Review，NSR)， 北京大學王健教授與謝心澄院士為文章共同通訊作者，北京大學博士生葛軍與馬達博士為共同第一作者。

研究團隊使用綜合物性測量系統和具有三軸矢量磁體的稀釋制冷機，通過嚴格的轉角實驗（圖1(b)），排除了縱向電阻分量以及經典霍爾效應對實驗結果的影響，系統地研究了ZrTe5器件（圖1(a)）的本徵面內霍爾響應。他們發現，ZrTe5器件的面內霍爾信號既包含關於正負磁場對稱的成分（圖1(c), ρyx (-B)=ρyx(B)），又包含關於正負磁場反對稱的成分（圖1(d), ρyx (-B)= -ρyx(B)）。

圖1 (a) ZrTe5器件的原子力顯微鏡圖像，標度尺代表10 μm（微米）。(b) 面內霍爾信號的測量結構示意圖。電流 I 沿著ZrTe5器件的a軸，磁場B在ZrTe5的ac面內旋轉，磁場與電流之間的夾角記為θ。0°和90°分別代表B∥I和B⊥I。(c)面內霍爾信號關於正負磁場的對稱部分。(d) 面內霍爾信號關於正負磁場的反對稱部分。

更有趣的是，研究者在B∥I（圖2(a-c)）和B⊥I（圖2(d-f)）時觀測到了非零的面內霍爾信號。這一發現超出了理論預期，無論是經典理論還是之前拓撲材料中的面內霍爾效應理論都無法解釋實驗結果。

圖2 ZrTe5器件中的非常規霍爾效應：面內磁場與電流平行(B∥I)和垂直(B⊥I)時的非零的霍爾信號。（a）磁場B與電流I平行（B//I）時的測量結構示意圖。（b）B//I時，關於正負磁場對稱的面內霍爾信號。（c）B//I時，關於正負磁場反對稱的面內霍爾信號。（d）磁場B與電流I垂直（B⊥I）時的測量結構示意圖。（e）B⊥I時，關於正負磁場對稱的面內霍爾信號。（f）B⊥I時，關於正負磁場反對稱的面內霍爾信號。

通過理論計算，研究團隊揭示了非常規霍爾效應的來源。磁場中的ZrTe5可以看作是具有傾斜外爾錐的外爾半金屬。外爾錐的傾斜以及貝裡曲率引起的反常速度、手性化學勢、相空間體積效應四者共同作用，導致了非常規的面內霍爾效應。研究團隊提出的理論公式可以很好地擬合實驗觀察到的面內霍爾信號（圖3）。

圖3 面內霍爾電導率的理論擬合。黑色圓點為實驗上得到的本徵的面內霍爾電導（已精確排除了縱向電阻分量以及經典霍爾效應對實驗結果的影響），紅色曲線為理論擬合結果。

該研究發現了非磁性材料中面內磁場和電流平行以及垂直時的非常規霍爾效應，為霍爾效應家族增添了新的成員，並為拓撲材料中貝裡曲率的相關物理研究提供了新的平臺。

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa163/5871834

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