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中國科學院物理研究所 N08組供稿 第61期 2019年09月17日
北京凝聚態物理國家研究中心
反常霍爾效應研究取得進展

  反常霍爾效應是最基本的電子輸運性質之一。雖然反常霍爾效應早在1881年就被Edwin Hall發現,但其微觀機制的建立卻經歷了一百余年的漫長歷程。本世紀初,牛謙等人的理論工作揭示了反常霍爾效應的內稟機制與材料能帶結構的貝里曲率有關,并得到了廣泛的實驗支持,反常霍爾效應也因此成為當今凝聚態物理研究的一個重要手段。在近年來受到廣泛關注的固態拓撲體系研究中,反常霍爾效應也是被研究的焦點之一。

  然而,迄今為止所有的實驗結果都基本使用單粒子圖像下的輸運理論進行解釋。在理論上,僅有個別小組研究過電子和電子之間的多體相互作用是否會影響反常霍爾電導。二十多年前,W?lfle等人通過理論計算指出,對于斜散射和邊跳這兩個非內稟機制,電子-電子相互作用不會對反常霍爾電導產生任何量子修正,這與電子-電子相互作用能在低溫下顯著地改變縱向電導率和電阻率截然不同。至于內稟機制下電子-電子相互作用能否改變反常霍爾電導,理論上還沒有定論。

  最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室李永慶課題組(N08組)的博士生楊帥和林朝鏡(現為日本東京工業大學博士后),與極端條件重點實驗室EX10組的石友國研究員和博士生伊長江,以及北京大學物理學院的博士后李治林等合作,在鐵磁半導體HgCr2Se4中發現反常霍爾電阻和反常霍爾電導在超過兩個數量級的溫度范圍內(0.02 - 2 K)對溫度的平方根(\(\sqrt{T}\))具有明顯的線性依賴關系,而且不能用現有的理論解釋。研究團隊還觀察到HgCr2Se4樣品的縱向電阻率和正常霍爾電阻率也呈現出\(\sqrt{T}\)的溫度依賴關系,但此二者可用Altshuler等人發展的電子-電子作用理論進行定量的描述。這些特征以及在高達15 T磁場中的進一步電子輸運測量表明,極低溫下在HgCr2Se4中觀察到的巨大反常霍爾電導修正不太可能來源于弱局域化效應,電子-電子相互作用的貢獻值得在理論上進行深入考慮。

  上述實驗結果的獲得受益于接近零溫條件下HgCr2Se4在載流子濃度低至1015-1018cm-3時仍能保持金屬導電性,反常霍爾效應研究因此能被拓展到一個傳統鐵磁金屬或半導體無法達到的參數空間。本工作的合作者還有澳大利亞新南威爾士大學的Dimitrie Culcer教授。

  相關實驗工作近期發表于S. Yang, Z. L. Li et al., Physical Review Letters 123, 096601 (2019)。該工作得到了科技部國家重點研發計劃、科技部國家基礎研究計劃、國家自然科學基金、中科院先導B類專項和國家博士后科研基金創新人才培養計劃的支持。

  文章鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.096601

圖1. HgCr2Se4的晶體結構圖(a)及實驗中使用的單晶照片(b, c)
圖2. HgCr2Se4中反常霍爾效應的反常溫度依賴關系。(a) 低溫下縱向電阻率ρxx的溫度依賴關系;(b)縱向電導率σxx\(\sqrt{T}\)具有線性依賴關系,其斜率不隨磁場變化;(c) 不同溫度下的反常霍爾電阻率ρAH;(d) 縱向電阻率、正常霍爾電阻率和反常霍爾電阻率都呈現\(\sqrt{T}\)型的溫度依賴關系,但反常霍爾電阻率的相對零溫數值的變化率超過前二者約兩個數量級。反常霍爾電導率的相對變化率具有相近的數值。
下載附件>> PRL 123, 096601 (2019).pdf.pdf
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