PRL重磅：在非磁性拓撲半金屬中探測反常霍爾效應

霍爾效應是凝聚態物理中的基石性現象。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，從而在橫向產生電壓——這就是經典的霍爾效應。它的近親反?；魻栃ˋHE）通常出現在鐵磁體系中，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 起源于能帶結構中的拓撲幾何性質（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與非平庸的Berry曲率，成為研究非常規輸運現象的理想平臺。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。研究它在非常規磁場條件下的霍爾響應，既具有基礎物理價值，也可能帶來應用前景。

近期發表在PRL的一項研究表明，Cd?As?薄膜在面內磁場作用下表現出清晰的反?；魻栃?。這種實驗幾何有效抑制了普通霍爾效應，從而顯現出由Berry曲率主導的輸運信號。這一發現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。

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曲率區域時，會獲得一份額外的橫向速度，從而導致反?；魻栃?。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：平面內磁場

在非磁性體系中探測 AHE 的核心難題是如何區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磁場的實驗構型。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。

主要發現

1. 重對稱性信號：當在薄膜平面內旋轉磁場時，測得的反?；魻栯妼э@示出明顯的三重對稱性：每旋轉 120° 信號重復一次。這一規律直接反映了 Cd?As? 的晶體對稱性，證明該效應源自能帶拓撲而非散射或實驗誤差。
2. 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。
3. 普通霍爾效應被有效抑制：平面內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動。
4. 軌道磁化的作用：理論分析表明，平面內磁場會在體系中產生有限的軌道磁化。該軌道磁化與 Berry 曲率耦合，驅動了 AHE 的出現。與傳統鐵磁體系不同，這里的信號并不依賴自旋磁序，而體現了輸運的幾何本質。

意義與影響

這一結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。
• 輸運與對稱性結合：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控 AHE 提供了實驗依據。
• 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。

結論

在 Cd?As? 中通過平面內磁場探測到反?；魻栃?，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制的、由 Berry 曲率主導的輸運信號。這一效應的本質來源于軌道磁化與幾何相互作用，而非磁性序。

這一發現不僅在基礎研究上具有重大意義，也為利用非磁性材料中的異?；魻栃O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。