反铁磁体中的反常霍尔效应新发现：关联非费米液体行为

霍尔效应，作为探测材料电子结构和载流子行为的经典手段，长期以来在凝聚态物理研究中扮演着核心角色。标准霍尔效应源于洛伦兹力对运动载流子的偏转，其信号强度与外加磁场直接相关。然而，在磁性材料中存在一种特殊类型的霍尔效应，即反常霍尔效应，它即使在零外加磁场下也能产生霍尔电压，其起源通常与材料的内禀磁性，特别是净磁化强度及其引起的电子能带结构的拓扑性质（如贝里曲率）紧密相关。传统观点认为，显著的零场反常霍尔效应主要出现在具有宏观净磁矩的铁磁体中。与此相对，反铁磁体由于其磁矩在晶格中反向排列，宏观上表现为零或极小的净磁化，因此通常不被视为能产生强零场反常霍尔效应的候选材料。

然而，近期发表在《自然-通讯》上的一项题为“Zero-field Hall effect emerging from a non-Fermi liquid in a collinear antiferromagnet V1/3NbS2”的研究，在一类特殊的共线反铁磁体V1/3NbS2中发现了显著的零场反常霍尔效应，并且这一效应与材料的非费米液体行为同时出现。这项突破性发现不仅挑战了我们对反常霍尔效应与磁化强度之间关系的传统认知，更将反常霍尔效应与强关联体系中的非费米液体行为联系起来，为理解复杂磁性材料中的新奇量子现象开辟了新的途径。

V1/3NbS2是一种磁性原子（V）插层进入二维层状过渡金属硫族化合物NbS2形成的材料。NbS2本身是一种超导体，而插入V原子后，材料的性质发生了显著变化。通过详细的实验表征，研究人员确认V1/3NbS2在低温下形成了一种公度量、共线的反铁磁有序结构，其中V原子的磁矩沿着特定方向反向排列，导致整体净磁化非常微弱。根据传统的反常霍尔效应理论，在这样一个共线反铁磁体中，由于缺乏宏观磁化和特定的对称性，预计不会观测到显著的零场反常霍尔效应。

然而，实验结果出人意料。研究团队在V1/3NbS2中观测到了一个显著的、在零外加磁场下存在的霍尔信号，即零场反常霍尔效应。更引人注目的是，这个自发的霍尔信号强度远超基于材料微弱净磁化所预测的值，这强烈暗示了其起源并非来源于常规的磁化驱动机制。这一发现本身就已经挑战了现有理论框架，表明在某些反铁磁体中存在产生零场反常霍尔效应的非传统机制。

这项研究的关键之处在于，研究人员进一步发现，这个异常增强的零场反常霍尔效应恰好出现在V1/3NbS2表现出非费米液体行为的温度区间。非费米液体是凝聚态物理中的一个重要概念，用来描述那些偏离朗道费米液体理论的金属态。在标准费米液体中，电子可以被描述为具有良好定义的寿命和有效质量的准粒子，它们之间的相互作用是微弱的。然而，在强关联体系中，电子间的相互作用变得非常重要，导致准粒子概念失效，体系表现出反常的输运性质，如电阻率随温度呈现非二次方规律等。V1/3NbS2的电阻率测量结果显示出典型的非费米液体行为，其电阻率随温度的变化不符合费米液体理论的预测。

将零场反常霍尔效应与非费米液体行为联系起来，是这项研究最令人兴奋的方面。它强烈提示，V1/3NbS2中异常增强的零场反常霍尔效应并非简单的单粒子效应，而是与体系中的强电子关联和非费米液体态息息相关。在非费米液体中，由于强烈的多体相互作用，电子的运动和散射方式发生了根本性改变，这可能导致一些在费米液体中不存在或微弱的效应被显著增强，其中包括可能以一种非传统方式产生的贝里曲率或等效的“虚拟磁场”。

有几种可能的理论场景可以解释这一现象。一种可能性是，尽管宏观上磁矩共线且净磁化为零，但在微观层面或由于自旋涨落、拓扑缺陷等原因，材料可能存在局域的非共线磁结构或瞬时手性，这些结构可以在动量空间产生贝里曲率，并贡献于反常霍尔效应。在非费米液体态下，由于强关联效应，这些局域结构或涨落可能被放大，或者电子在这些结构中的散射过程被显著修改，从而增强了反常霍尔信号。

另一种可能性是，非费米液体本身固有的多体性质直接导致了零场霍尔效应的产生，而不仅仅是通过影响能带结构或散射过程。在非费米液体中，传统的基于玻尔兹曼方程或库波公式的输运理论不再适用，需要发展新的理论框架来描述电荷在强关联环境下的输运。这种新的输运机制可能内禀地包含了一个在零场下产生横向电压的成分，即零场霍尔效应，其强度与体系的多体关联强度直接相关。

这项研究的意义是多方面的。首先，它拓展了反常霍尔效应的研究范围，表明即使在宏观净磁化为零的共线反铁磁体中，通过利用材料本身的对称性破缺、自旋构型或者更重要的，强关联效应，也可以实现显著的零场反常霍尔效应。这为寻找和设计新型无磁化或低磁化下的霍尔效应材料提供了新的思路。

其次，这项工作将反常霍尔效应这一通常与拓扑电子结构相关的现象，与非费米液体这一描述强关联电子行为的概念紧密联系在一起。这提示我们在研究强关联体系时，需要考虑多体效应对拓扑物态和输运性质的深刻影响。非费米液体态下的电子关联如何影响贝里曲率的产生和输运过程，是一个亟待深入研究的前沿问题。V1/3NbS2作为一个具体的实验平台，为探索这一问题提供了宝贵的机遇。