你或許聽說(shuō)過(guò)傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)，它在很多設(shè)備里都發(fā)揮著重要作用，比如汽車速度傳感器、智能手機(jī)的運(yùn)動(dòng)探測(cè)器等。最近，科學(xué)家們又有了新發(fā)現(xiàn)，一種新型 “霍爾效應(yīng)” 被找到了，它可能會(huì)給電子行業(yè)帶來(lái)巨大變革。

這次的研究是由科羅拉多州立大學(xué)的研究生盧克?韋爾納特和副教授陳華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成的，約翰斯?霍普金斯大學(xué)的研究生巴斯蒂安?普拉德納斯和奧列格?切爾尼紹夫教授也參與其中，研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

在復(fù)雜的磁性材料 “非共線反鐵磁體” 中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種前所未有的 “霍爾效應(yīng)”，還找到了與之相關(guān)的新屬性 ——“霍爾質(zhì)量”。傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)是 1879 年埃德溫?霍爾在約翰斯?霍普金斯大學(xué)發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)電流受到外部磁場(chǎng)作用時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生可測(cè)量的電壓。但這次的新型霍爾效應(yīng)有點(diǎn)不一樣，主角不再是電荷，而是電子的自旋（一種微小的內(nèi)稟角動(dòng)量）。

我們常見的磁鐵，電子自旋方向要么平行要么反平行排列，但非共線反鐵磁體中電子的自旋方向各不相同，不過(guò)總體凈磁化強(qiáng)度為零。這種獨(dú)特的自旋結(jié)構(gòu)讓霍爾效應(yīng)有了新的表現(xiàn)形式，自旋電流可以橫著流動(dòng)，而不只是電荷。

盧克?韋爾納特打了個(gè)比方：“就好像你朝一個(gè)方向推動(dòng)自旋電流，結(jié)果另一個(gè)自旋電流卻橫著跑了起來(lái)，這就是這種新型霍爾效應(yīng)的特點(diǎn)。” 之所以這種受 “霍爾質(zhì)量” 支配的效應(yīng)只在非共線反鐵磁體中出現(xiàn)，是因?yàn)檫@類材料描述自旋方向的自由度有三個(gè)，更加復(fù)雜，由此產(chǎn)生了三個(gè)分支的自旋波（自旋的集體振動(dòng)），其中兩個(gè)分支在驅(qū)動(dòng)力作用下會(huì)自然地橫向流動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員可以通過(guò)兩種方法測(cè)量 “霍爾質(zhì)量”：一種是從傳統(tǒng)鐵磁體向非共線反鐵磁體注入自旋波，然后檢測(cè)邊緣的自旋積累情況；另一種是利用散射技術(shù)（比如中子散射或 X 射線散射）追蹤低能自旋波譜。

自旋電流比電荷電流產(chǎn)生的熱量少很多，利用這一特性，有望徹底改變現(xiàn)代電子技術(shù)，“自旋電子學(xué)” 這一領(lǐng)域也因此發(fā)展迅速。像基于磁性的存儲(chǔ)設(shè)備（磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，MRAM），利用自旋電流就能變得更節(jié)能，還不容易受外部磁場(chǎng)干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞。傳統(tǒng)磁性材料存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可能會(huì)被雜散磁場(chǎng)抹去，但非共線反鐵磁體受這種干擾的影響小得多，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理方面更安全。總的來(lái)說(shuō)，這種新型霍爾效應(yīng)及其相關(guān) “霍爾質(zhì)量” 的發(fā)現(xiàn)，為凝聚態(tài)物理研究開辟了新方向，也為自旋驅(qū)動(dòng)的下一代技術(shù)發(fā)展提供了指引。

參考資料：DOI： 10.1103/PhysRevLett.134.016706