北京
非物理学家听到“霍尔效应”（Hall effect）时，可能会以为它说的是试图把小孩弄出前门时时间被拉长的方式，或者你穿过走廊（hallway）时总是忘记钥匙或手机的现象。
然而，真正的霍尔效应涉及电流和磁场在特定情境下相互作用的方式——在众多需要检测磁性的技术中，它都很有用，包括手机翻盖保护套。
虽然物理学家埃德温·霍尔于1879年就发现了这一效应，但如今，由美国卡内基梅隆大学领导的研究团队发现，它并不一定非要按照科学家一直以为的方式运作。
这种现象的磁性版本被称为反常霍尔效应，也可以由材料自身的磁化产生。
一项新研究表明，这种磁化不一定需要指向某个特定方向——它比这更灵活。研究团队在发表于《自然·材料》的研究中报告了这一结果。
“很长一段时间里，人们认为霍尔效应只有在磁场垂直于薄膜平面施加时才起作用，”卡内基梅隆大学的物理学家辛兰吉特·辛格说。
“我们已经证明并非如此——当磁场位于平面内时，也能得到响应。”
这是一种思维转变，此前已有理论提出过，但从未在像研究人员此次构建的二维系统中得到证实。
这些理论被用作创建定制原子结构的基础，该结构由超薄层材料钽铱碲（TaIrTe4）与磁性层CGT（Cr2Ge2Te6）配对构成。
这种结构组合足以将磁性“泄漏”到非磁性层中，同时减少某些固有的材料对称性，否则这些对称性会限制霍尔效应的产生方式。
“人们提出过它，相关想法也存在，但很难制造出具有合适对称性的磁性材料来实现它，”辛格说。
“我们所做的是找到一种具有合适对称性的材料，并使其具有磁性。”
这是理解物理学中一个基本效应的重大突破。更实际地说，最大的收获可能在磁传感器领域，单个传感器可以取代更复杂的装置。
另一种理解方式是，单个超薄器件可能能够沿多个轴探测磁场，而不仅仅是一个轴。
“这真正展示了构建原子级精确的新兴二维量子材料异质结构、以获得按需电子和磁学性质的能力，”卡内基梅隆大学的物理学家乔蒂·卡托奇说。
研究人员还进行了一些理论建模，与实验室实验相配合，解释研究人员为何得到所观察到的结果。
模型显示，不同的电子效应——例如自旋-轨道耦合（电子的运动与其自旋耦合）和磁交换相互作用——可以解释观察到的响应，但还需要进一步研究才能确定。
这还有更广泛的意义。所有材料都有某种内禀对称性，但研究表明，组合材料可以以有用的方式打破并改变这些对称性——量子计算机可能是受益领域之一。
然而，目前这仍是在非常特定的实验室条件下进行的小规模实验——包括低温条件。研究人员的下一步将是在更广泛的材料中、在更接近室温的条件下测试这种另一种霍尔效应。
“我们的结果揭示了通过控制界面处的晶体对称性和交换相互作用来设计可调霍尔效应的潜力，”研究人员在论文中写道。
“我们的工作为未来研究其他低对称性拓扑材料开辟了可能性，以设计新颖的量子输运现象，用于下一代自旋电子学和电子器件。”
该研究已发表在《自然·材料》上。
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