近日，東京理工大學(xué)材料科學(xué)家進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，在沒(méi)有大規(guī)模磁排序的情況下，新型磁性半導(dǎo)體中存在大規(guī)模的異常霍爾電阻，這也驗(yàn)證了最近的理論預(yù)測(cè)。他們的發(fā)現(xiàn)為反常霍爾效應(yīng)提供了新的見(jiàn)解，這是一種以前與長(zhǎng)程磁序相關(guān)的量子現(xiàn)象。

帶電粒子(如電子)在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響下移動(dòng)時(shí)，可以表現(xiàn)出相互影響的方式。例如，當(dāng)磁場(chǎng)垂直于載流導(dǎo)體的平面時(shí)，內(nèi)部流動(dòng)的電子由于磁力而開(kāi)始側(cè)向偏離。很快，導(dǎo)體兩端就會(huì)出現(xiàn)電壓差，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“霍爾效應(yīng)”。

然而，霍爾效應(yīng)并不一定需要擺弄磁鐵。事實(shí)上，它可以在具有長(zhǎng)程磁性有序的磁性材料中直接觀察到，例如鐵磁體。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“反常霍爾效應(yīng)”(AHE)，似乎是霍爾效應(yīng)的近親。但是，它的機(jī)制更復(fù)雜。目前，最被接受的說(shuō)法是，AHE 是由電子能帶的一種被稱(chēng)為“貝里曲率”的特性產(chǎn)生的。

磁性排序?qū)HE來(lái)說(shuō)是必要的嗎?最近的一個(gè)理論表明并非如此。出于好奇，內(nèi)田博士和他在日本的合作者決定對(duì)這一理論進(jìn)行測(cè)試。

他們研究了一種新的磁性半導(dǎo)體EuAs的磁特性，該材料僅具有一個(gè)奇特的扭曲三角形晶格結(jié)構(gòu)，并觀察到23K以下的反鐵磁(AFM)行為(相鄰的電子自旋排列在相反的方向)。此外，他們觀察到，在有外部磁場(chǎng)的情況下，該材料的電阻隨溫度急劇下降，這種行為被稱(chēng)為"巨大的磁電阻"(CMR)。然而，更有趣的是，CMR甚至在23K以上也被觀察到，在那里AFM的秩序消失了。

更加令人驚訝的發(fā)現(xiàn)就是霍爾電阻率隨溫度升高，在70K時(shí)達(dá)到頂峰，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于AFM排序溫度，這表明在沒(méi)有磁性排序的情況下，大型AHE也是可能的。為了了解這種現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，研究小組進(jìn)行了模型計(jì)算。結(jié)果顯示，這種效應(yīng)可以歸因于三角晶格上的自旋簇對(duì)電子的傾斜散射，在這種“跳躍制度”下，電子不流動(dòng)，而是在原子之間“跳躍”。

研究人員表示，這些結(jié)果使我們能更加了解磁性固體內(nèi)部電子的奇怪行為。新發(fā)現(xiàn)有助于闡明三角晶格磁性半導(dǎo)體，并有可能打開(kāi)一個(gè)新的研究領(lǐng)域。

該研究論文題為“Above-ordering-temperature large anomalous Hall effect in a triangular-lattice magnetic semiconductor”，已發(fā)表在 Science Advances期刊上。

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