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科研成果
吳孝松課題組與合作者發現異維超晶格結構和面內反常霍爾效應
發布日期:2022-08-31 浏覽次數:
  供稿:凝聚態物理與材料物理研究所  |   编辑:曲音璇   |   审核:吴孝松

北京大学物理学院凝聚態物理與材料物理研究所吴孝松研究员课题组与合作者发现了一种硫钒化合物的异维超晶格结构,观测到新奇面内反常霍尔效应,为未来超晶格材料开辟了新的设计思路。2022年8月31日,相关研究工作以“具有面内反常霍尔效应的异维超晶格”(Heterodimensional superlattice with in-plane anomalous Hall effect)为题,在线发表于《自然》(Nature)。

美国物理学家埃德温·霍尔(Edwin Hall)于1879年发现了正常霍尔效应(ordinary Hall effect),两年后又在铁磁金属中发现反常霍尔效应(anomalous Hall effect)。如今,霍尔效应已经成为凝聚态物理研究的重要工具;诸多霍尔效应,如整数和分数量子霍尔效应,以及近年来发现的量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应等,极大地推动了凝聚态物理学和相关学科的发展。

在正常霍爾效應中,施加的外電場E在樣品測量平面內,而磁場B垂直于樣品平面,産生的霍爾電流JH在樣品平面內,且方向和電場垂直;這三個矢量兩兩垂直的關系源于載流子所受到的洛倫茲力F=ev×B在反常霍爾效應中,磁場B被磁化強度M替代,也滿足JHE×M這樣的兩兩垂直關系。因此,當磁場B或者磁化強度M在樣品平面內時,通常不存在霍爾效應。

近日,北京大学物理学院凝聚态所、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心吴孝松研究员与北京理工大学物理学院周家东、姚裕贵教授,日本大阪大学Kazu Suenaga教授,新加坡南洋理工大学刘政教授等合作,合成了一种硫钒化合物(分子式为V5S8),並系統研究了其結構和電輸運性質。他們發現,當磁場B在樣品平面內時,這種材料表現出有悖于人們直覺的面內霍爾效應。進一步的透射電子顯微鏡結構分析揭示出,該材料具有新型的超晶格結構,即由二維VS2原子晶體和一維VS原子鏈陣列交替堆疊而成(圖1);此異維結構有別于由不同材料的二維薄膜堆疊而成的傳統超晶格結構,爲未來超晶格材料開辟了新的設計思路。


1  VS2-VS異維超晶格結構

实验发现的新奇面内霍尔效应源于该材料中特殊形式的自旋轨道耦合。在面内磁场和自旋轨道耦合的作用下,能带产生了具有面外分量的贝里曲率。贝里曲率可以被视为动量空间的虚拟磁场,因此载流子在该虚拟磁场作用下发生偏转,产生了面内霍尔效应。第一性原理的计算结果和实验符合得很好,从而进一步证实了这一物理机制。目前,结合该材料自旋轨道耦合的超导约瑟夫森效应研究也已经展开(J. Appl. Phys. 131, 093903 (2022);Chin. Phys. B 31, 057402 (2022))。

圖2  VS2-VS超晶格的輸運測量及面內反常霍爾效應:a.磁場沿不同方向的霍爾效應;b.不同溫度下的面內霍爾效應;c.面內霍爾電導的溫度關系;d~f.霍爾電阻隨磁場方向的變化關系

2022年8月31日,相关研究工作以“具有面内反常霍尔效应的异维超晶格”(Heterodimensional superlattice with in-plane anomalous Hall effect)为题,在线发表于《自然》(Nature);北京理工大学周家东教授、北京大学物理学院2020届博士毕业生章文杰(现为德国马克斯·普朗克微结构物理研究所博士後)、大阪大学Yung-Chang Lin研究员和北京理工大学物理学院2018级博士研究生曹晋为共同第一作者,周家东、姚裕贵、Kazu Suenaga、吴孝松和刘政为共同通讯作者。该项工作由吴孝松课题组发起,首先观察到材料的面内反常霍尔效应并用透射电镜进行初步的结构表征,由此发现样品的晶体结构不同于任何已知的硫钒化合物;随后,Kazu Suenaga课题组用精细的透射电镜实验确定了材料的结构;刘政课题组生长出样品,并根据晶体结构提出“异维超晶格”的概念;姚裕贵课题组通过第一性原理计算,证实了面内磁场所致的面外贝里曲率是这种新型霍尔效应的根源。主要合作者还包括来自中国科学院物理研究所、极端条件凝聚态物理安徽省重点实验室、德国马克斯·普朗克微结构物理研究所、南方科技大学、上海大学等机构和高校的研究人员。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等支持。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-05031-2