PRL重磅：在非磁性拓扑半金属中探测反常霍尔效应

霍尔效应是凝聚态物理中的基石性现象。当一个载流导体受到垂直于电流的磁场作用时，电荷载流子受到洛伦兹力偏转，从而在横向产生电压——这就是经典的霍尔效应。它的近亲反常霍尔效应（AHE）通常出现在铁磁体系中，即使在没有外磁场的情况下也能被观测到。与由洛伦兹力支配的普通霍尔效应不同，AHE 起源于能带结构中的拓扑几何性质（Berry曲率）以及散射机制。

随着拓扑材料研究的兴起，人们对 AHE 的理解被极大拓展。狄拉克与外尔半金属因其具有相对论型的电子激发与非平庸的Berry曲率，成为研究非常规输运现象的理想平台。其中，Cd₃As₂ 是最典型的狄拉克半金属之一，具有极高的迁移率和跨越宽能量范围的线性色散。研究它在非常规磁场条件下的霍尔响应，既具有基础物理价值，也可能带来应用前景。

近期发表在PRL的一项研究表明，Cd₃As₂薄膜在面内磁场作用下表现出清晰的反常霍尔效应。这种实验几何有效抑制了普通霍尔效应，从而显现出由Berry曲率主导的输运信号。这一发现为在非磁性拓扑半金属中探测几何起源的霍尔效应提供了有力证据。

背景：狄拉克半金属与Berry曲率

狄拉克半金属（如Cd₃As₂）的特征是其能带在费米能级附近形成四重简并的狄拉克点。这些狄拉克点可以看作是两个手性相反的外尔点重叠在一起，由晶体对称性稳定。如果破坏了某些对称性（如时间反演对称性或反演对称性），狄拉克点就会分裂成外尔点，从而在动量空间中产生强 Berry曲率。

Berry曲率类似于倒空间中的有效磁场，它能影响电子的动力学。电子在穿过强Berry曲率区域时，会获得一份额外的横向速度，从而导致反常霍尔效应。在铁磁体中，Berry曲率源自自旋轨道耦合与磁序的共同作用。而在非磁性狄拉克半金属中，外加磁场可以起到类似的作用，通过破坏对称性来诱导AHE。

实验方案：平面内磁场

在非磁性体系中探测 AHE 的核心难题是如何区分它与强大的普通霍尔效应。当磁场垂直于样品时，洛伦兹力产生强烈的普通霍尔响应，往往掩盖住 AHE 信号。

为解决这一问题，研究人员采用了面内磁场的实验构型。磁场与样品表面平行（并几乎与电流平行）时，洛伦兹力几乎消失。在这种条件下，任何残余的横向电压都更可能源自Berry曲率，而非常规的回旋运动。选取 (112) 晶面取向的 Cd₃As₂ 薄膜尤为适合该实验，因为其晶体对称性保证了丰富的输运各向异性。

主要发现

1. 重对称性信号：当在薄膜平面内旋转磁场时，测得的反常霍尔电导显示出明显的三重对称性：每旋转 120° 信号重复一次。这一规律直接反映了 Cd₃As₂ 的晶体对称性，证明该效应源自能带拓扑而非散射或实验误差。
2. 载流子浓度依赖性：反常霍尔角（横向电导与纵向电导之比）随载流子浓度变化显著。在超低载流子浓度（≈10¹⁷ cm⁻³）时，AHE 信号显著增强。这是因为当费米能级接近狄拉克点时，Berry 曲率与轨道效应的影响最为强烈。
3. 普通霍尔效应被有效抑制：平面内磁场几何成功地压制了普通霍尔贡献，确保观测到的横向电压并非由洛伦兹力引起，而是由对称性破缺和轨道磁化驱动。
4. 轨道磁化的作用：理论分析表明，平面内磁场会在体系中产生有限的轨道磁化。该轨道磁化与 Berry 曲率耦合，驱动了 AHE 的出现。与传统铁磁体系不同，这里的信号并不依赖自旋磁序，而体现了输运的几何本质。

意义与影响

这一结果具有多方面的重要意义：

• 拓展 AHE 的范畴：AHE 不再局限于铁磁体，而能在非磁性狄拉克半金属中实现。
• 输运与对称性结合：AHE 的三重角度依赖性使其成为研究晶体对称性破缺的灵敏探针。
• 低载流子体系的重要性：低载流子浓度下 Berry 曲率效应增强，为通过掺杂或电场调控 AHE 提供了实验依据。
• 潜在应用：通过外磁场在非磁性材料中操控霍尔响应，可能催生新型低耗散电子器件。

结论

在 Cd₃As₂ 中通过平面内磁场探测到反常霍尔效应，是拓扑半金属研究的重要突破。该方法有效消除了普通霍尔背景，揭示了一个随晶体对称性调制的、由 Berry 曲率主导的输运信号。这一效应的本质来源于轨道磁化与几何相互作用，而非磁性序。

这一发现不仅在基础研究上具有重大意义，也为利用非磁性材料中的异常霍尔效应设计新型电子器件提供了可能。它标志着霍尔物理进入了一个由拓扑、几何与可控对称性破缺主导的新阶段。