上科大拓扑物理实验室郭艳峰、王文波研究团队与合作者实验发现反常霍尔效应产生新机制

近日，上海科技大学物质科学与技术学院拓扑物理实验室郭艳峰课题组、王文波课题组与合作者在实验中发现了一种新型反常霍尔效应产生机制，即磁性材料中费米能级附近存在外尔点时，增强的磁畴壁不对称斜散射导致的巨大非本征反常霍尔效应。其磁场可控周期性排列条纹状磁畴使得该非本征反常霍尔效应高度可控。该成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

本征反常霍尔效应由磁性材料非零的贝里曲率产生，其电导通常正比于磁化强度，因此反常霍尔效应通常不出现在自旋相互抵消的反铁磁材料中。但是，当反铁磁材料具有非共线磁结构时，也会产生非零的贝利曲率，从而表现出反常霍尔效应，如近几年广泛研究的非共线反铁磁材料Mn₃Sn，在室温下表现出与很多铁磁材料堪比拟的大于100 S cm^-1的反常霍尔电导。另一方面，由于本征反常霍尔效应与贝利曲率相联系，具有很高的可控性，因此成为下一代自旋电子学应用的重要选择，而非本征反常霍尔效应由于其产生机制的复杂性及不可控性，关注较少。

郭艳峰组长期从事新磁性拓扑材料探索，在近期与合作者开展的对三方晶系反铁磁材料EuAl₂Si₂的研究发现，当沿晶体c轴方向施加4 T左右外磁场即可诱导从反铁磁拓扑绝缘体到铁磁外尔半金属的相变，在费米能级下方~ 57 meV处Γ-A方向形成一对外尔点。2 K、1.2 T时，该体系表现出高达1.51 × 10⁴ S cm^-1的反常霍尔电导，且2 K时空穴迁移率为1036 cm² V^-1S^-1。然而，分析发现其贝利曲率产生的最大本征反常霍尔电导仅为151 S cm^-1，因此该巨大的反常霍尔电导应由非本征机制贡献（图1）。为探寻该非本征机制，郭艳峰组与王文波组合作，利用磁力显微镜对EuAl₂Si₂磁畴结构进行了细致研究，结果显示该材料具有周期性平行排列的条纹状磁畴，且该周期随磁场升场及降场变化可逆，磁畴间距从0 T时的975 nm变化为4 T时的232 nm（图2），反常霍尔电导亦呈现出规律性变化。通过对磁畴密度、磁化强度及非本征反常霍尔电导变化的标度，首次确定了一种新型反常霍尔效应产生机制—畴壁不对称斜散射效应，即磁畴壁对电子的不对称斜散射贡献了净反常霍尔电导（图3），且计算表明散射系数在该材料费米能级附近存在外尔点时会得到极大增强，使其表现出巨大的非本征反常霍尔电导，为目前块体材料中发现的最大值。 

图1. a.EuAl₂Si₂的晶体结构示意图（箭头表示自旋方向；b.横向霍尔电阻；c.霍尔电阻分析结果；d.非本征反常霍尔电阻随温度变化情况；e.本征与非本征反常霍尔电导随磁场变化情况；e.外尔点（红圈）。

图2. a-c.平行排列的周期性条纹畴在正负磁场中的可逆变化; d. 图a-c中周期性磁畴的单位长度上畴密度随磁场的变化关系。

图3. 新型反常霍尔效应产生机制。a-i. 平行排列的周期性条纹畴随磁场变化情况；j. EuAl₂Si₂的反常霍尔电导与其它材料比较；k.磁畴及畴壁排示意图；l.畴壁不对称斜散射示意图。

该研究不仅在实验上发现了一种新型反常霍尔效应产生机制，提供了一个具有巨大反常霍尔电导的反铁磁材料，还展示了非本征反常霍尔效应的磁场可控性，为非本征反常霍尔效应的应用打开了一扇窗户。

上科大为该研究成果第一完成单位，上科大拓扑物理实验室助理研究员夏威、拓扑物理实验室工程师白波、中国科学院宁波材料技术与工程研究所钟志诚课题组博士后陈雪娇、中国科学技术大学沈大伟教授课题组博士研究生杨逸尘为论文共同第一作者，钟志诚教授、沈大伟教授、王文波教授和郭艳峰教授为共同通讯作者。