磁性材料的反?;魻栞斶\(yùn)效應(yīng)來源于能帶內(nèi)稟貢獻(xiàn)及雜質(zhì)外稟散射,其重要參量反常霍爾角代表縱向電流密度驅(qū)動(dòng)橫向反?;魻栯娏髅芏鹊哪芰?。大反?;魻柦窃诜闯;魻柎艂鞲?、自旋電子學(xué)磁疇翻轉(zhuǎn)等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。過去70年來,反?;魻柦情L(zhǎng)期處于0.1~3°(0.2%~5%)的較低水平,且缺乏調(diào)控模型和實(shí)驗(yàn)方案,導(dǎo)致反常霍爾這一重要物理效應(yīng)長(zhǎng)期不能得到有效應(yīng)用。
近年來,本征磁性拓?fù)洳牧系陌l(fā)現(xiàn)為研究自旋相關(guān)拓?fù)湮飸B(tài)和物性提供了材料平臺(tái),而其拓?fù)湓鰪?qiáng)的電輸運(yùn)性能也為反常霍爾角的調(diào)控帶來了契機(jī)。磁性外爾半金屬Co3Sn2S2具有大內(nèi)稟反?;魻栯妼?dǎo)率,為實(shí)現(xiàn)反?;魻柦堑恼{(diào)控提供了理想載體。
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)洳牧吓c物理研究方面取得新進(jìn)展。他們提出了反?;魻柦堑碾p變量數(shù)學(xué)模型,根據(jù)電導(dǎo)率及電阻率的張量轉(zhuǎn)換,首次將反?;魻柦潜磉_(dá)為縱向電阻率與反常霍爾電導(dǎo)率之積的函數(shù)。在金屬區(qū),反?;魻柦请S著二者乘積的增加而增大。對(duì)于具有確定內(nèi)稟反?;魻栯妼?dǎo)率的體系,其反?;魻柦莿t隨著縱向電阻率的增大而呈現(xiàn)一個(gè)極大值。根據(jù)反?;魻栯妼?dǎo)率的內(nèi)外稟機(jī)制特征,他們提出了基于磁性拓?fù)潴w系開展反?;魻柦钦{(diào)控的實(shí)驗(yàn)方案。利用拓?fù)鋺B(tài)、微量摻雜、溫度、維度等內(nèi)外稟自由度,在Co3Sn2S2體系中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了縱向電阻率和反?;魻栯妼?dǎo)率的同步大幅提升,獲得了25°(46%)的零場(chǎng)巨反常霍爾角。同時(shí),他們研制了新型反?;魻杺鞲衅骷?,獲得了低頻23nT/Hz0.5@1Hz的磁場(chǎng)探測(cè)能力和7028μΩcm/T的霍爾靈敏度,分別是目前已知反?;魻杺鞲衅鞯?倍和10倍。
該研究為反常霍爾角的調(diào)控提供了一套可行的模型和方案,開啟了磁性材料巨反常霍爾角的新階段,實(shí)現(xiàn)了拓?fù)湓鰪?qiáng)高性能磁傳感的原理性驗(yàn)證。相關(guān)成果以“Modulation of the anomalous Hall angle in a magnetic topological semimetal”為題,于2025年4月2日發(fā)表在Nature Electronics雜志上。課題組博士生楊金穎為第一作者,劉恩克研究員為通訊作者。研究中微納器件的NV色心磁測(cè)量得到了物理所劉剛欽團(tuán)隊(duì)的支持。物理所沈保根院士、復(fù)旦大學(xué)吳義政教授、馬普微結(jié)構(gòu)物理所Stuart Parkin教授、馬普固體化物所Claudia Felser教授等對(duì)本研究給予了支持和指導(dǎo)。該工作得到了基金委面上、基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心、科技部重點(diǎn)研發(fā)、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持青年團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院重大科研儀器研制、中國(guó)科學(xué)院-馬普所聯(lián)合研究單元等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41928-025-01364-8

圖1. a,b反?;魻柦堑碾p變量函數(shù)關(guān)系,c巨反常霍爾角,d磁性外爾半金屬反常霍爾傳感。