平面霍尔效应——揭示重费米子物理本质的新工具 | 进展

强关联电子的局域-巡游特性转变是决定强关联系统正常态奇异物性和非常规超导性质的深层次物理根源。在重费米子系统中，这种转变可以用一个同时包含f电子局域和巡游分量的唯象二流体模型描述【Rep. Prog. Phys. 79, 074501 (2016)】，其中局域流体会对导带电子发生非相干近藤散射，而巡游流体则反映了由相干散射导致的具有能带杂化特征的巡游重电子行为。但是由于具体散射机制的复杂性，两类散射过程在输运测量中非常难以区分。因此，发展新的实验技术就成为揭示重费米子物理本质的必然要求。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的杨义峰研究员课题组长期从事重费米子理论研究，一直重视与新材料、新技术等方面的实验合作，曾与物理所的石友国研究员合作发现了CeCo₂Ga₈等具有新奇物性的重费米子材料【npj Quantum Materials 2, 36 (2017)】，与电子科技大学的齐静波教授合作首次借助超快光谱发现了重费米子体系中的两阶段杂化物理和由非相干近藤散射导致的高温预杂化现象【Phys. Rev. Lett. 124, 057404 (2020)】。

最近，课题组又与华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心的罗永康教授合作，利用石友国研究员提供的高质量CeCo₂Ga₈单晶，首次借助平面霍尔效应实验揭示了重费米子材料输运过程中的二流体行为，并进一步证实了高温预杂化现象的存在，形成了一个全温区的输运过程图像，为深入研究f电子的局域-巡游特性转变提供了新的技术手段。

图：平面霍尔效应测量示意图与非相干、相干近藤散射导致的不同振荡模式及温度演化。

平面霍尔效应测量磁场、电流、横向电压位于同一平面内时，横向电阻随磁场和电流夹角的变化。他们发现，重费米子材料的平面霍尔效应具有反常的角度依赖行为：在高温预杂化发生时，平面霍尔效应的角度依赖上会出现反常的高阶振荡，其强度随温度下降而增加，并在临近相干温度时达到最大；而在相干温度以下，高阶振荡被快速抑制，并伴随巡游重电子的形成逐渐呈现二度对称的振荡行为。两种截然不同的振荡行为反映了两类不同的散射特性：高温下的高阶振荡行为来自各向异性的非相干近藤散射，而低温下的二度对称振荡则来源于巡游重电子（相干散射）的贡献，反映了重电子费米面的拓扑结构特征。相干温度之下两种不同振荡模式的共存和演变揭示了输运过程中的二流体物理及其温度演化，也使得平面霍尔效应成为一种能有效区分相干和非相干散射的实验手段，从而为阐明强关联量子材料中电子的局域-巡游特性转变提供重要信息。相关工作发表于Commun. Phys. 8, 198 (2025)，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、松山湖材料实验室开放课题、北京凝聚态物理国家研究中心开放课题的支持。

编辑：凉渐