共線反鐵磁體首現反常霍爾效應

科技日報訊 （記者張佳欣）由日本東京大學和美國約翰斯·霍普金斯大學領導的國際研究團隊，在共線反鐵磁體中發現了反常霍爾效應。這一發現不僅挑戰了解釋反常霍爾效應的教科書理論框架，還拓寬了可用於信息技術的反鐵磁體範圍。研究成果近日發表在《自然·通訊》雜誌上。

在傳統理論框架中，反常霍爾效應被視為鐵磁材料的“專利”。自旋是電子的固有屬性，通常被描述為“向上”或“向下”。在鐵磁體中，自旋朝同一方向排列，使材料磁化。這種磁化作用甚至可在沒有外部磁場的情況下產生與電流垂直的電壓，這就是反常霍爾效應。相比之下，反鐵磁體的自旋朝相反方向排列，從而有效抵消了磁化作用。因此，理論上，反常霍爾效應不會在反鐵磁體中出現。然而，事實並非如此。

此前已有科學家報告稱，在某一類共線反鐵磁體中出現了反常霍爾效應，但觀測到的信號極其微弱。因此，確定一種真正無磁化的反常霍爾效應具有重要的科學和技術意義。

此次，研究人員使用了過渡金屬二硫化物材料作為二維結構單元。通過在原子層之間插入磁性離子，研究人員控制電子的運動和相互作用。這種經過修改的三維結構有可能展現出在二維狀態下不可能出現的新行為。

最終觀測結果顯示，該材料在寬温區（含室温）和強磁場環境下均呈現穩定反常霍爾效應。這是首個實驗證據，證明科學家在共線反鐵磁體中觀測到反常霍爾效應。

反常霍爾效應通常被認為與磁化作用相伴而生，因此這一發現表明，背後可能存在遠超一般理解的因素。研究人員推測，材料獨特的電子能帶結構可能產生巨大的“虛擬磁場”，在無磁化狀態下增強了反常霍爾效應。

下一步，研究人員計劃通過實驗證據來證實這一假設，並利用拉曼光譜等技術開展一系列後續研究，以揭示其潛在機制。