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霍爾效應是凝聚態(tài)物理中的基石性現(xiàn)象。當一個載流導體受到垂直于電流的磁場作用時，電荷載流子受到洛倫茲力偏轉(zhuǎn)，從而在橫向產(chǎn)生電壓——這就是經(jīng)典的霍爾效應。它的近親反?；魻栃ˋHE）通常出現(xiàn)在鐵磁體系中，即使在沒有外磁場的情況下也能被觀測到。與由洛倫茲力支配的普通霍爾效應不同，AHE 起源于能帶結(jié)構(gòu)中的拓撲幾何性質(zhì)（Berry曲率）以及散射機制。
隨著拓撲材料研究的興起，人們對 AHE 的理解被極大拓展。狄拉克與外爾半金屬因其具有相對論型的電子激發(fā)與非平庸的Berry曲率，成為研究非常規(guī)輸運現(xiàn)象的理想平臺。其中，Cd?As? 是最典型的狄拉克半金屬之一，具有極高的遷移率和跨越寬能量范圍的線性色散。研究它在非常規(guī)磁場條件下的霍爾響應，既具有基礎(chǔ)物理價值，也可能帶來應用前景。
近期發(fā)表在PRL的一項研究表明，Cd?As?薄膜在面內(nèi)磁場作用下表現(xiàn)出清晰的反常霍爾效應。這種實驗幾何有效抑制了普通霍爾效應，從而顯現(xiàn)出由Berry曲率主導的輸運信號。這一發(fā)現(xiàn)為在非磁性拓撲半金屬中探測幾何起源的霍爾效應提供了有力證據(jù)。
背景：狄拉克半金屬與Berry曲率
狄拉克半金屬（如Cd?As?）的特征是其能帶在費米能級附近形成四重簡并的狄拉克點。這些狄拉克點可以看作是兩個手性相反的外爾點重疊在一起，由晶體對稱性穩(wěn)定。如果破壞了某些對稱性（如時間反演對稱性或反演對稱性），狄拉克點就會分裂成外爾點，從而在動量空間中產(chǎn)生強 Berry曲率。
Berry曲率類似于倒空間中的有效磁場，它能影響電子的動力學。電子在穿過強Berry曲率區(qū)域時，會獲得一份額外的橫向速度，從而導致反常霍爾效應。在鐵磁體中，Berry曲率源自自旋軌道耦合與磁序的共同作用。而在非磁性狄拉克半金屬中，外加磁場可以起到類似的作用，通過破壞對稱性來誘導AHE。
實驗方案：平面內(nèi)磁場
在非磁性體系中探測 AHE 的核心難題是如何區(qū)分它與強大的普通霍爾效應。當磁場垂直于樣品時，洛倫茲力產(chǎn)生強烈的普通霍爾響應，往往掩蓋住 AHE 信號。
為解決這一問題，研究人員采用了面內(nèi)磁場的實驗構(gòu)型。磁場與樣品表面平行（并幾乎與電流平行）時，洛倫茲力幾乎消失。在這種條件下，任何殘余的橫向電壓都更可能源自Berry曲率，而非常規(guī)的回旋運動。選取 (112) 晶面取向的 Cd?As? 薄膜尤為適合該實驗，因為其晶體對稱性保證了豐富的輸運各向異性。
主要發(fā)現(xiàn)
- 重對稱性信號：當在薄膜平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場時，測得的反常霍爾電導顯示出明顯的三重對稱性：每旋轉(zhuǎn) 120° 信號重復一次。這一規(guī)律直接反映了 Cd?As? 的晶體對稱性，證明該效應源自能帶拓撲而非散射或?qū)嶒炚`差。
- 載流子濃度依賴性：反?；魻柦牵M向電導與縱向電導之比）隨載流子濃度變化顯著。在超低載流子濃度（≈101? cm?3）時，AHE 信號顯著增強。這是因為當費米能級接近狄拉克點時，Berry 曲率與軌道效應的影響最為強烈。
- 普通霍爾效應被有效抑制：平面內(nèi)磁場幾何成功地壓制了普通霍爾貢獻，確保觀測到的橫向電壓并非由洛倫茲力引起，而是由對稱性破缺和軌道磁化驅(qū)動。
- 軌道磁化的作用：理論分析表明，平面內(nèi)磁場會在體系中產(chǎn)生有限的軌道磁化。該軌道磁化與 Berry 曲率耦合，驅(qū)動了 AHE 的出現(xiàn)。與傳統(tǒng)鐵磁體系不同，這里的信號并不依賴自旋磁序，而體現(xiàn)了輸運的幾何本質(zhì)。
意義與影響
這一結(jié)果具有多方面的重要意義：
- 拓展 AHE 的范疇：AHE 不再局限于鐵磁體，而能在非磁性狄拉克半金屬中實現(xiàn)。
- 輸運與對稱性結(jié)合：AHE 的三重角度依賴性使其成為研究晶體對稱性破缺的靈敏探針。
- 低載流子體系的重要性：低載流子濃度下 Berry 曲率效應增強，為通過摻雜或電場調(diào)控 AHE 提供了實驗依據(jù)。
- 潛在應用：通過外磁場在非磁性材料中操控霍爾響應，可能催生新型低耗散電子器件。
結(jié)論
在 Cd?As? 中通過平面內(nèi)磁場探測到反常霍爾效應，是拓撲半金屬研究的重要突破。該方法有效消除了普通霍爾背景，揭示了一個隨晶體對稱性調(diào)制的、由 Berry 曲率主導的輸運信號。這一效應的本質(zhì)來源于軌道磁化與幾何相互作用，而非磁性序。
這一發(fā)現(xiàn)不僅在基礎(chǔ)研究上具有重大意義，也為利用非磁性材料中的異常霍爾效應設(shè)計新型電子器件提供了可能。它標志著霍爾物理進入了一個由拓撲、幾何與可控對稱性破缺主導的新階段。
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