image: (a) ZrTe5器件的原子力显微镜图像，标度尺代表10 μm（微米）。(b) 面内霍尔信号的测量结构示意图。电流 I 沿着ZrTe5器件的a轴，磁场B在ZrTe5的ac面内旋转，磁场与电流之间的夹角记为θ。 0°和90°分别代表B∥I 和B⊥I。(c)面内霍尔信号关于正负磁场的对称部分。(d) 面内霍尔信号关于正负磁场的反对称部分。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
霍尔效应在凝聚态物理学的发展史上一直发挥着重要的作用。经典的霍尔效应由美国物理学家霍尔于1879年发现：当对一个导体施加垂直于电流方向的面外磁场时，在沿与电流和磁场都垂直的方向上会表现出非零的电阻率，这是电荷的运动轨迹在磁场下发生偏转的结果。凝聚态体系中，布洛赫电子在演化过程中除了积累动力学相位之外，还需要考虑几何相位（贝里相位）。与贝里相位对应的贝里曲率使得电子在外加电场下会拥有垂直于电场方向的速度，从而产生横向的霍尔信号。近期研究指出，在拓扑材料中，当磁场与电流在同一个平面内时，贝里曲率会诱导出面内霍尔效应。不同于经典的霍尔效应，面内霍尔效应中霍尔电阻率ρyx是磁场的偶函数(关于磁场B对称，满足ρyx (-B)=ρyx(B))。与经典霍尔效应相同的是，当面内磁场垂直(B⊥I)或平行(B∥I)于电流时，面内霍尔信号消失。
最近，北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授、谢心澄院士、北京师范大学物理学系刘海文研究员和美国橡树岭国家实验室Jiaqiang Yan博士, David Mandrus教授等组成的合作团队在非磁性拓扑材料ZrTe5器件中发现了非常规霍尔效应，当面内磁场与电流方向垂直(B⊥I)和平行(B∥I)时依然存在霍尔信号。文章发表在《国家科学评论》(National Science Review，NSR)上， 北京大学王健教授与谢心澄院士为文章共同通讯作者，北京大学博士生葛军与马达博士为共同第一作者。
研究团队使用综合物性测量系统和具有三轴矢量磁体的稀释制冷机，通过严格的转角实验(图1(b))，排除了纵向电阻分量以及经典霍尔效应对实验结果的影响，系统地研究了ZrTe5器件(图1(a))的本征面内霍尔响应。他们发现，ZrTe5器件面内霍尔信号既包含关于正负磁场对称的成分(图1(c))，又包含关于正负磁场反对称的成分(图1(d))；更有趣的是，在B∥I(图2(a-c))和B⊥I(图2(d-f))时观测到了非零的面内霍尔信号。这些实验发现超出了理论预期，无论是经典理论还是之前拓扑材料中的面内霍尔效应理论都无法解释实验结果。
通过理论计算，研究团队揭示了非常规霍尔效应的来源。磁场中的ZrTe5可以看作是具有倾斜外尔锥的外尔半金属。外尔锥的倾斜以及贝里曲率引起的反常速度、手性化学势、相空间体积效应四者共同作用，导致了非常规的面内霍尔效应。研究团队提出的理论公式可以很好地拟合实验观察到的面内霍尔信号（图3）。
非磁性材料中面内磁场和电流平行以及垂直时的非常规霍尔效应的发现，为霍尔效应家族增添了新的成员，并为拓扑材料中贝里曲率的相关物理研究提供了新的平台。
###
文章信息： Unconventional Hall Effect induced by Berry Curvature https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa163
Journal
National Science Review