霍爾效應,作為探測材料電子結構和載流子行為的經典手段,長期以來在凝聚態物理研究中扮演著核心角色。標準霍爾效應源于洛倫茲力對運動載流子的偏轉,其信號強度與外加磁場直接相關。然而,在磁性材料中存在一種特殊類型的霍爾效應,即反?;魻栃?,它即使在零外加磁場下也能產生霍爾電壓,其起源通常與材料的內稟磁性,特別是凈磁化強度及其引起的電子能帶結構的拓撲性質(如貝里曲率)緊密相關。傳統觀點認為,顯著的零場反常霍爾效應主要出現在具有宏觀凈磁矩的鐵磁體中。與此相對,反鐵磁體由于其磁矩在晶格中反向排列,宏觀上表現為零或極小的凈磁化,因此通常不被視為能產生強零場反?;魻栃暮蜻x材料。
然而,近期發表在《自然-通訊》上的一項題為“Zero-field Hall effect emerging from a non-Fermi liquid in a collinear antiferromagnet V1/3NbS2”的研究,在一類特殊的共線反鐵磁體V1/3NbS2中發現了顯著的零場反?;魻栃⑶疫@一效應與材料的非費米液體行為同時出現。這項突破性發現不僅挑戰了我們對反?;魻栃c磁化強度之間關系的傳統認知,更將反?;魻栃c強關聯體系中的非費米液體行為聯系起來,為理解復雜磁性材料中的新奇量子現象開辟了新的途徑。
V1/3NbS2是一種磁性原子(V)插層進入二維層狀過渡金屬硫族化合物NbS2形成的材料。NbS2本身是一種超導體,而插入V原子后,材料的性質發生了顯著變化。通過詳細的實驗表征,研究人員確認V1/3NbS2在低溫下形成了一種公度量、共線的反鐵磁有序結構,其中V原子的磁矩沿著特定方向反向排列,導致整體凈磁化非常微弱。根據傳統的反?;魻栃碚摚谶@樣一個共線反鐵磁體中,由于缺乏宏觀磁化和特定的對稱性,預計不會觀測到顯著的零場反?;魻栃?。
然而,實驗結果出人意料。研究團隊在V1/3NbS2中觀測到了一個顯著的、在零外加磁場下存在的霍爾信號,即零場反?;魻栃?。更引人注目的是,這個自發的霍爾信號強度遠超基于材料微弱凈磁化所預測的值,這強烈暗示了其起源并非來源于常規的磁化驅動機制。這一發現本身就已經挑戰了現有理論框架,表明在某些反鐵磁體中存在產生零場反常霍爾效應的非傳統機制。
這項研究的關鍵之處在于,研究人員進一步發現,這個異常增強的零場反?;魻栃『贸霈F在V1/3NbS2表現出非費米液體行為的溫度區間。非費米液體是凝聚態物理中的一個重要概念,用來描述那些偏離朗道費米液體理論的金屬態。在標準費米液體中,電子可以被描述為具有良好定義的壽命和有效質量的準粒子,它們之間的相互作用是微弱的。然而,在強關聯體系中,電子間的相互作用變得非常重要,導致準粒子概念失效,體系表現出反常的輸運性質,如電阻率隨溫度呈現非二次方規律等。V1/3NbS2的電阻率測量結果顯示出典型的非費米液體行為,其電阻率隨溫度的變化不符合費米液體理論的預測。
將零場反?;魻栃c非費米液體行為聯系起來,是這項研究最令人興奮的方面。它強烈提示,V1/3NbS2中異常增強的零場反常霍爾效應并非簡單的單粒子效應,而是與體系中的強電子關聯和非費米液體態息息相關。在非費米液體中,由于強烈的多體相互作用,電子的運動和散射方式發生了根本性改變,這可能導致一些在費米液體中不存在或微弱的效應被顯著增強,其中包括可能以一種非傳統方式產生的貝里曲率或等效的“虛擬磁場”。
有幾種可能的理論場景可以解釋這一現象。一種可能性是,盡管宏觀上磁矩共線且凈磁化為零,但在微觀層面或由于自旋漲落、拓撲缺陷等原因,材料可能存在局域的非共線磁結構或瞬時手性,這些結構可以在動量空間產生貝里曲率,并貢獻于反?;魻栃?。在非費米液體態下,由于強關聯效應,這些局域結構或漲落可能被放大,或者電子在這些結構中的散射過程被顯著修改,從而增強了反?;魻栃盘?。
另一種可能性是,非費米液體本身固有的多體性質直接導致了零場霍爾效應的產生,而不僅僅是通過影響能帶結構或散射過程。在非費米液體中,傳統的基于玻爾茲曼方程或庫波公式的輸運理論不再適用,需要發展新的理論框架來描述電荷在強關聯環境下的輸運。這種新的輸運機制可能內稟地包含了一個在零場下產生橫向電壓的成分,即零場霍爾效應,其強度與體系的多體關聯強度直接相關。
這項研究的意義是多方面的。首先,它拓展了反?;魻栃难芯糠秶?,表明即使在宏觀凈磁化為零的共線反鐵磁體中,通過利用材料本身的對稱性破缺、自旋構型或者更重要的,強關聯效應,也可以實現顯著的零場反?;魻栃_@為尋找和設計新型無磁化或低磁化下的霍爾效應材料提供了新的思路。
其次,這項工作將反?;魻栃@一通常與拓撲電子結構相關的現象,與非費米液體這一描述強關聯電子行為的概念緊密聯系在一起。這提示我們在研究強關聯體系時,需要考慮多體效應對拓撲物態和輸運性質的深刻影響。非費米液體態下的電子關聯如何影響貝里曲率的產生和輸運過程,是一個亟待深入研究的前沿問題。V1/3NbS2作為一個具體的實驗平臺,為探索這一問題提供了寶貴的機遇。
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