在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，起源于貝利曲率的電-熱輸運(yùn)行為（如反常霍爾效應(yīng)和反常能斯特效應(yīng)）已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其中，磁性拓?fù)洳牧现械耐鉅桙c(diǎn)或節(jié)線環(huán)等電子態(tài)會(huì)產(chǎn)生拓?fù)湓鰪?qiáng)的貝利曲率，誘發(fā)遠(yuǎn)超常規(guī)磁性材料的輸運(yùn)效應(yīng)，有望在拓?fù)浯烹娮訉W(xué)與拓?fù)錈犭婎I(lǐng)域發(fā)揮重要作用。然而，目前絕大多數(shù)拓?fù)洳牧显谫M(fèi)米能級(jí)附近具有較為復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)，含有I-/II-類(lèi)外爾點(diǎn)、節(jié)線/面、平庸能帶等，難以描述和調(diào)控其宏觀輸運(yùn)行為。這不僅增加了理論預(yù)測(cè)的難度，也阻礙了拓?fù)洳牧蠎?yīng)用的發(fā)展。

最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室劉恩克課題組在磁性拓?fù)洳牧系碾娮虞斶\(yùn)機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展。針對(duì)拓?fù)洳牧洗嬖诘纳鲜鰡?wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了等效外爾模型，將拓?fù)潴w系的能帶表示為等效的理想外爾能帶，并通過(guò)費(fèi)米-狄拉克分布引入溫度因素，建立了內(nèi)稟電熱輸運(yùn)的溫度標(biāo)度關(guān)系。針對(duì)存在多對(duì)外爾對(duì)的情況，引入了動(dòng)量空間“貝利曲率鐵磁、亞鐵磁結(jié)構(gòu)”的概念，建立了等效雙外爾對(duì)的電-熱輸運(yùn)溫度標(biāo)度關(guān)系。該模型將復(fù)雜的多外爾點(diǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一對(duì)或兩對(duì)等效外爾點(diǎn)，明確揭示了反常霍爾效應(yīng)和反常能斯特效應(yīng)的溫度依賴(lài)性及其符號(hào)反轉(zhuǎn)的內(nèi)稟機(jī)制，并成功解釋了多種已報(bào)道磁性拓?fù)潴w系的輸運(yùn)行為。

根據(jù)該等效外爾圖像，研究發(fā)現(xiàn)反常霍爾角的符號(hào)僅由外爾點(diǎn)的手性決定,而反常能斯特角的符號(hào)則由外爾點(diǎn)的手性和載流子類(lèi)型共同決定。根據(jù)這一規(guī)律，團(tuán)隊(duì)對(duì)反常能斯特?zé)犭妼?dǎo)進(jìn)行了變量約化，發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)可由反常霍爾角與反常能斯特角之和來(lái)決定。據(jù)此，團(tuán)隊(duì)還提出了利用化學(xué)摻雜改變磁性外爾半金屬的費(fèi)米能級(jí)，使其越過(guò)外爾點(diǎn)而改變載流子類(lèi)型，從而使得反常霍爾角和反常能斯特角保持同號(hào)，產(chǎn)生疊加效應(yīng)，隨后得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 等效外爾模型及拓?fù)潆?熱輸運(yùn)的溫度標(biāo)度

本工作為理解外爾費(fèi)米子輸運(yùn)行為提供了有效的工具，解決了復(fù)雜拓?fù)淠軒щy以簡(jiǎn)單、定量描述的問(wèn)題，為工作于不同溫區(qū)的磁性拓?fù)淦骷ㄈ缡覝赝負(fù)浯烹娮訉W(xué)器件、低溫拓?fù)錈犭娭评潆姸眩┑膽?yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，開(kāi)辟了通過(guò)等效模型調(diào)控拓?fù)湮飸B(tài)宏觀物性的新途徑。相關(guān)成果以"Scaling the topological transport based on an effective Weyl picture"為題，于2025年4月30日發(fā)表于《應(yīng)用物理評(píng)論》（Applied Physics Reviews）期刊上。課題組博士生張伸（已畢業(yè)）為第一作者，劉恩克研究員為通訊作者。物理所沈保根院士、南方科技大學(xué)張文清教授和德國(guó)馬普所Claudia Felser教授對(duì)本研究給予了重要支持和指導(dǎo)。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)B類(lèi)、物理所綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持青年團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院-馬普所聯(lián)合研究單元的支持。

編輯：涼漸

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