电子奇异行为又有新发现

　　东京工业大学的材料科学家已经证明，一种新型磁性半导体在没有大尺度磁有序的情况下，也存在一个巨大且非典型的反常霍尔电阻，证实了最近的理论预测。他们的发现加深了对反常霍尔效应的理解，而反常霍尔效应这种量子现象在此之前一直被认为与长程磁有序直接相关。
　　带电粒子，如电子，在电场和磁场的影响下，可以以相互作用的方式运动。例如，对一个载流导体平面施加垂直的磁场时，内部流动的电子会由于磁力的作用而偏离方向，很快导体内部就会出现电势差。这种现象被称为＂霍尔效应＂。然而，霍尔效应并不只产生于磁体中。事实上，在具有长程磁有序的磁性材料（如铁磁体）中，就可以观测到这种现象。
　　＂反常霍尔效应＂（AHE）听起来似乎和霍尔效应颇有关联。然而，它的机制要复杂得多。目前，最为大家接受的一种观点是，AHE是由被称为＂贝里曲率＂的一种电子能带內禀属性产生的，这是电子自旋与其在材料内部的运动之间相互作用的结果，更常见的说法是＂自旋轨道相互作用＂。
　　贝里曲率是1998年沃尔夫物理学奖得主、英国数学物理学家迈克尔·贝里的发现。
　　1984年，贝里在研究中发现，当一个系统的哈密顿量依赖于一个随时间周期变化的参量时，在绝热近似条件下，系统在演化一个时间周期后，除了会累积一个固有的动力学相位以外，还会多出一个特殊的相位——它不依赖于绝热条件，同时也不依赖参数的变化路径，只依赖于其初始与最终的取值，是个系统内禀的属性，这就是贝里相位。
　　在霍尔效应研究中，贝里相位常被近似为动量空间的磁通量，而其相应的贝里曲率则对应着动量空间的磁场，该等效磁场将对输运电子产生一个正比于贝里曲率的横向反常速度，构成反常霍尔效应的内禀机制。
　　贝里在第四届WLF介绍相关前沿进展， 文末扫描二维码观看完整视频 | 图：WLF
　　磁性排序对于反常霍尔效应来说必要吗？最近有一种理论认为不必要。东京工业大学副教授内田正树（Masaki Uchida）解释道：＂已经有理论提出，即使在磁序消失的温度以上，也可能存在大规模的反常霍尔效应，特别是在具有低电荷流子密度、电子间强交换相互作用和有限自旋手性的磁性半导体中，这与运动方向的自旋方向有关。＂内田教授的研究重点是凝聚态物理。
　　出于好奇，内田博士和合作者们决定检验这一理论。他们的最新研究发表在《科学进展》（Science Advances）上，探究了新型磁性半导体EuAs的磁性，在此之前仅知道这种半导体具有一种特殊的扭曲三角形晶格结构并在低于23K的温度下观察到了反铁磁（AFM）性——相邻电子自旋排列方向相反。此外，他们还观察到，在外磁场的存在下，材料的电阻随温度急剧下降，这被称为＂庞磁阻效应＂（CMR）。然而更有趣的是，在高于23K的温度下虽然也观测到了庞磁阻效应，但此时反铁磁序消失。
　　内田博士评论说：＂很容易理解的是，在EuAs中观察到的庞磁阻效应是由稀释的载流子和局域的Eu2+自旋之间的耦合引起的，这种耦合在很大的温度范围内持续存在。＂
　　然而，真正引人注目的是霍尔电阻率随温度上升，并在70 K时达到峰值，远高于反铁磁序的温度，这表明即使是没有磁有序的情况下，也可能出现大的反常霍尔效应。为了理解产生这种非典型的大的反常霍尔效应，该团队进行了模型计算，计算结果表明三角晶格上的自旋团簇对电子进行了斜散射，在＂跳跃状态＂中，电子并不流动，而是从一个原子＂跳跃＂到另一个原子。
　　这些结果让我们能更进一步地理解磁性固体中电子的奇异行为。乐观的内田博士评论说：＂我们的发现有助于阐明三角晶格磁性半导体，并可能导致一个新的研究领域，目标是稀释载流子与非常规自旋排序和波动的耦合。＂
　　编译 刘璇
　　审稿 文婷
　　排版 杨周
　　责编 羽华