北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在電霍爾效應(yīng)和量子電霍爾效應(yīng)研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期:2025-10-14 供稿:物理學(xué)院 攝影:物理學(xué)院
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近日,北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)基于電場(chǎng)對(duì)貝里曲率和能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控,提出霍爾效應(yīng)的“電場(chǎng)版本”,即電霍爾效應(yīng)和量子電霍爾效應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)稱性分析,明確了實(shí)現(xiàn)這些全新效應(yīng)的對(duì)稱性條件,發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)可以廣泛存在于鐵磁性、反鐵磁性和交錯(cuò)磁性等二維材料體系中。此外,應(yīng)用微擾理論和半經(jīng)典輸運(yùn)方程,推導(dǎo)出內(nèi)稟電霍爾電導(dǎo)率的解析表達(dá)式,明確指出內(nèi)稟電霍爾效應(yīng)來(lái)源于兩種全新的幾何量——貝里曲率極化與貝里曲率關(guān)于垂直電場(chǎng)的極化率。該工作以“Electric Hall Effect and Quantum Electric Hall Effect”為題發(fā)表于國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》。北京理工大學(xué)為該工作的唯一完成單位,張閏午特別研究員、余智明教授和姚裕貴教授為論文的共同通訊作者,博士生崔朝喜為論文的第一作者,博士生邱宇輝、韓依琳為論文的共同作者。該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
霍爾效應(yīng)是最基本的物理現(xiàn)象之一,也是諸多低功耗量子效應(yīng)的理論基石。自發(fā)現(xiàn)以來(lái),各種不同形式的霍爾效應(yīng)——包括常規(guī)與平面、內(nèi)稟與外在、線性與非線性等——不斷被提出并得到深入研究。
在該領(lǐng)域中,姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期開(kāi)展系統(tǒng)性研究,取得了一系列重要突破:2004年,姚裕貴等人率先發(fā)展了反?;魻栯妼?dǎo)率的第一性原理計(jì)算方法,定量研究了反?;魻栃?yīng)中基于貝里相的內(nèi)稟機(jī)制,指出了內(nèi)稟機(jī)制的重要性【PRL 92, 037204 (2004)】。該工作成功解決了長(zhǎng)期懸而未決的科學(xué)難題——“內(nèi)稟機(jī)制貢獻(xiàn)在反常霍爾效應(yīng)中是否重要”,顛覆了此前“外在機(jī)制占主導(dǎo),內(nèi)稟機(jī)制不重要”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí),實(shí)質(zhì)性地推動(dòng)了該領(lǐng)域的迅速發(fā)展。2006年,姚等人進(jìn)一步提出反?;魻栃?yīng)內(nèi)稟與外在部分的分解方法,并給出反常霍爾效應(yīng)中內(nèi)稟電導(dǎo)率和磁化強(qiáng)度成線性關(guān)系的理論解釋及定量計(jì)算方法【PRL 96, 037204 (2006)】,這一成果被廣泛引用,并被收錄于M. P. Marder的流行教科書《Condensed Matter Physics》。2023年,姚等人提出在一大類具有時(shí)空反演對(duì)稱性的反鐵磁體中可實(shí)現(xiàn)面內(nèi)反?;魻栃?yīng),并給出了其普適理論和可行的材料設(shè)計(jì)方案,進(jìn)一步拓展了反?;魻栃?yīng)理論【PRL 130, 166702 (2023)】。此外,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作,首次構(gòu)筑出異維超晶格結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)了室溫下顯著的面內(nèi)反?;魻栃?yīng),與理論預(yù)測(cè)相符,該成果發(fā)表在《自然》【Nature 609, 46-51 (2022)】。
近日,姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)在上述長(zhǎng)期積累的基礎(chǔ)上,又提出了一種全新的霍爾效應(yīng)——電霍爾效應(yīng)。該效應(yīng)的創(chuàng)新之處在于,霍爾電流由垂直于平面的靜態(tài)電場(chǎng)誘導(dǎo),而非傳統(tǒng)意義上的磁場(chǎng),如圖1所示。

圖1 (a) 常規(guī)霍爾效應(yīng),(c) 量子霍爾效應(yīng);(b)與(d) 分別展示了電霍爾效應(yīng)和量子電霍爾效應(yīng),它們可被視為常規(guī)霍爾效應(yīng)與量子霍爾效應(yīng)的電場(chǎng)對(duì)應(yīng)。
姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)在該研究工作中探索了二維磁性系統(tǒng)中的電霍爾效應(yīng)。通過(guò)對(duì)稱性分析,研究團(tuán)隊(duì)證明了內(nèi)稟電霍爾效應(yīng)可廣泛存在于多種二維磁性材料中,包括鐵磁、反鐵磁和交錯(cuò)磁性體系?;诓柶澛斶\(yùn)方程和微擾論,團(tuán)隊(duì)推導(dǎo)出了該效應(yīng)的解析表達(dá)式,并揭示其與貝里曲率極化和極化率密切相關(guān)。理論表明,電霍爾效應(yīng)在能帶簡(jiǎn)并點(diǎn)附近以及窄帶隙系統(tǒng)的能帶邊緣處尤為顯著。研究進(jìn)一步通過(guò)第一性原理計(jì)算,在單層Ca(FeN)2 中驗(yàn)證了電霍爾效應(yīng)的存在,并在外爾點(diǎn)附近的費(fèi)米能處獲得了顯著的電霍爾效應(yīng)。此外,團(tuán)隊(duì)預(yù)言在合理電場(chǎng)下可在單層BaMn2S3中實(shí)現(xiàn)量子電霍爾效應(yīng),并指出通過(guò)反轉(zhuǎn)電場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)量子化霍爾電導(dǎo)的切換。該研究不僅提出了一種全新的霍爾效應(yīng)機(jī)制,也為霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生與調(diào)控提供了一種高效且便捷的技術(shù)路徑。
作為一種由電場(chǎng)誘導(dǎo)、無(wú)需依賴磁場(chǎng)或凈磁矩的霍爾效應(yīng),電霍爾效應(yīng)為電場(chǎng)強(qiáng)度的純電學(xué)測(cè)量開(kāi)辟了新的途徑。鑒于霍爾效應(yīng)傳感器已在磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)中廣泛應(yīng)用,將成熟的霍爾傳感技術(shù)與電霍爾效應(yīng)相結(jié)合,有望發(fā)展出一類新型高效的電場(chǎng)探測(cè)方法,為電場(chǎng)傳感器領(lǐng)域帶來(lái)全新的應(yīng)用前景。

圖2 單層Ca(FeN)2 的(a)結(jié)構(gòu)示意圖與(b)布里淵區(qū);(c)考慮自旋軌道耦合下的Ca(FeN)2 的軌道投影能帶結(jié)構(gòu),插圖顯示了在Γ 點(diǎn)處的線性色散的能帶交叉;(d)χxy 隨費(fèi)米能級(jí)EF 的變化關(guān)系,插圖展示了源自M 點(diǎn)處線性外爾點(diǎn)的小峰值。此處采用的gE = 0.23,其數(shù)值來(lái)自第一性原理計(jì)算。

圖3 單層BaMn2S3 的(a)結(jié)構(gòu)示意圖及(b)布里淵區(qū);(c) BaMn2S3 在不同垂直電場(chǎng)?z =0,±0.2 eV/? 下考慮自旋軌道耦合時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)。Γ 點(diǎn)能帶的C3z 本征值以紅色標(biāo)注,其中W =e^-iπ/3;(d)BaMn2S3 的內(nèi)稟霍爾電導(dǎo)率σxy(左軸)隨垂直電場(chǎng)?z(下軸)的變化關(guān)系。圖中還以背景方式繪制了在?z = 0,±0.2 eV/? 下的(10) 邊緣態(tài)(上軸與右軸)。
附通訊作者簡(jiǎn)介:
張閏午,北京理工大學(xué)特別研究員、博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事量子材料新物態(tài)、新效應(yīng)及新物性調(diào)控,迄今發(fā)表論文50余篇,累計(jì)引用2300余次,H指數(shù)25,包括8篇Phys. Rev. Lett.,2篇Adv. Funct. Mater.,1篇ACS Nano,2 篇 Nano Lett.等。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)、北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng)、凝聚態(tài)物理國(guó)家中心開(kāi)放課題項(xiàng)目1項(xiàng)、博士后基金一等資助1項(xiàng)、博士后基金站中特別資助1項(xiàng)。榮獲北京市本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)優(yōu)秀指導(dǎo)教師、山東省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、IOP高被引作者獎(jiǎng)等,擔(dān)任Phys. Rev.系列、ACS系列等學(xué)術(shù)期刊審稿人。
余智明,北京理工大學(xué)長(zhǎng)聘教授,入選國(guó)家高層次青年人才計(jì)劃。長(zhǎng)期從事以對(duì)稱性理論為研究工具,系統(tǒng)探索新型量子材料中的新材料、新機(jī)制和新應(yīng)用。迄今,共發(fā)表SCI論文100余篇,研究成果被國(guó)內(nèi)外同行正面評(píng)價(jià)和廣泛引用,谷歌學(xué)術(shù)總引用 8200 余次,H指數(shù) 47,包括 14篇 Phys. Rev. Lett.,1 篇 Prog. Mater. Sci.,和 5 篇Nat. Commun.,2篇Sci. Bull. (其中1篇獲Science Bulletin 2023 Best Paper Award 獎(jiǎng))等,ESI高被引論文10篇。此外,2021年獲批國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目(海外),擔(dān)任Nature和Phys. Rev. Lett.等學(xué)術(shù)期刊審稿人。
姚裕貴,北京理工大學(xué)杰出教授、3次入選國(guó)家高層次領(lǐng)軍人才計(jì)劃,享受政府特貼,先進(jìn)光電量子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、物理學(xué)院院長(zhǎng)。發(fā)表論文360余篇,包括49篇PRL/X 、Nature及子刊(33篇),引用37000余次,7篇論文單篇引用超過(guò)1000次,H指數(shù)91 (Google Scholar)。在反常輸運(yùn)、二維量子材料、拓?fù)淞孔硬牧吓c物性、含能材料檢測(cè)等領(lǐng)域做出了突出性貢獻(xiàn),具有重要國(guó)際影響,連續(xù)7年入選科睿唯安全球高被引學(xué)者。主持基金委創(chuàng)新研究群體、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目。當(dāng)選美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士、獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)、北京市自然科學(xué)獎(jiǎng)、首屆北京市先進(jìn)科研工作者、北京市有突出貢獻(xiàn)的科學(xué)、技術(shù)、管理人才、北京最美科技工作者、中科院杰出科技成就獎(jiǎng)、北京市優(yōu)秀研究生導(dǎo)師等。作為院長(zhǎng),帶領(lǐng)北京理工大學(xué)物理學(xué)科入選國(guó)家一流學(xué)科建設(shè)名單(工信部高校唯一入選基礎(chǔ)學(xué)科),獲批全國(guó)科普教育基地。
文章信息(*為通訊作者):Chaoxi Cui, Run-Wu Zhang*, Yuhui Qiu, Yilin Han, Zhi-Ming Yu*, and Yugui Yao*, “Electric Hall Effect and Quantum Electric Hall Effect”, Phys. Rev. Lett. 135, 116301 (2025).
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