反常霍尔效应(反常霍尔效应研究进展)

反常霍尔效应是最基本的电子输运性质之一。虽然反常霍尔效应早在1881年就被埃德温·霍尔发现，但其微观机制的建立却经历了一百多年的漫长过程。本世纪初，牛倩等人的理论工作揭示了反常霍尔效应的内在机制与材料能带结构的Berry曲率有关，并得到了实验的广泛支持。因此，反常霍尔效应已经成为当今凝聚态物理研究的重要手段。近年来，异常霍尔效应也是固态拓扑系统研究的热点之一，引起了广泛关注。

然而，到目前为止，所有的实验结果基本上都是用单粒子图像下的输运理论来解释的。理论上只有少数小组研究了电子间的多体相互作用是否会影响反常霍尔电导。二十多年前，Wolfle等人通过理论计算指出，对于斜散射和侧跳两种非本征机制，电子-电子相互作用不会对反常霍尔电导产生任何量子修正，这与低温下电子-电子相互作用可以显著改变纵向电导率和电阻率完全不同。电子-电子相互作用能否改变本征机制下的异常霍尔电导，理论上尚无定论。

近日，中科院物理所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室研究组(N08组)博士生、林超静与EX10组研究员石、博士生易长江、北京大学物理所博士后合作。在铁磁性半导体HgCr2Se4中，发现反常霍尔电阻和反常霍尔电导在超过两个数量级(0.02-2 K)的温度范围内，对温度的平方根(\(\sqrt{T}\)有明显的线性依赖关系，无法用现有理论解释。研究组还观察到HgCr2Se4样品的纵向电阻率和正常霍尔电阻率也表现出\(\sqrt{T}\)的温度依赖关系，但它们可以用Altshuler等人发展的电子-电子相互作用理论定量描述，这些特征和在高达15 T的磁场中的进一步电子输运测量表明，在极低温度下在HgCr2Se4中观察到的巨大异常霍尔电导校正不可能来自弱局域化效应，电子-电子相互作用的贡献在理论上值得在中进一步考虑。

上述实验结果得益于HgCr2Se4在近零温度下载流子浓度低至1015-1018cm-3时仍能保持金属电导率。因此，反常霍尔效应的研究可以扩展到一个传统铁磁金属或半导体无法达到的参数空。这项工作的合作者是澳大利亚新南威尔士大学教授迪米特里·卡尔瑟(Dimitrie Culcer)。

相关实验工作近期发表在《物理评论快报》(S. Yang，Z. L. Li等，Physical Review Letters 123，096601 (2019))。本工作得到了科技部国家重点R&D计划、科技部国家基础研究计划、国家自然科学基金、中科院试点B类项目和国家博士后研究基金创新人才培养项目的支持。

图一。实验中使用的Hg晶体结构图(A)和单晶照片(b，c)

图二。HGCG2Se4中反常霍尔效应的反常温度依赖性。(a)低温下纵向电阻率xx的温度依赖性；(b)纵向电导率xx与\(\sqrt{T}\)成线性关系，其斜率不随磁场变化；(c)不同温度下的异常霍尔电阻率AH；(4)纵向电阻率、正常霍尔电阻率和异常霍尔电阻率都表现出\({ T } \)型温度依赖性，但异常霍尔电阻率相对零温度值的变化率比前两者高两个数量级左右。异常霍尔电导率的相对变化率具有相似的值。