国科大苏刚团队在非线性反常热霍尔效应研究中取得新进展

  • 周达昆 (物理科学学院)
  • 创建于 2022-05-11
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  在反常横向输运现象研究中,如何在实验上清楚地区别内禀和外禀机制是一个挑战。最近,中国科学院大学苏刚研究团队提出通过测量非线性反常霍尔热导率对温度的依赖关系可以清晰地区分内禀和外禀机制,相关研究进展于近期在《物理评论B》上以快报形式发表(Phys. Rev. B 105, L201103 (2022))。

  在反常霍尔效应发现70多年后,Luttinger 和 Karplus在完全忽略杂质与声子散射时给出了反常霍尔效应的理论解释,指出由于存在自旋轨道耦合作用,电子会获得一个正比于贝里曲率的横向反常速度,从而引起反常霍尔效应。由于该项与散射无关,人们称之为内禀机制。但是,在真实的材料中总是存在缺陷或者杂质,电子的运动会受到散射,其传播方向会发生偏转,从而得到一个横向的霍尔流,这即为Smit提出的斜散射机制。当电子被杂质或缺陷散射时,也会产生一个横向跳跃,相当于使电子获得一个横向速度,导致横向电荷积累并产生霍尔电压,此即Berger提出的边跳机制。后两者统称为外禀机制。由于实验上只能观测到总反常霍尔响应,要通过实验对这些机制进行区分就成为挑战。目前,人们主要通过反常霍尔电阻率与纵向电阻率的依赖关系来区别不同的机制,但是该方法只能将斜散射与其他两种机制区分开来,而将内禀和边跳机制如何进行区分在实验上仍是一个挑战。

  最近,中国科学院大学苏刚和朱振刚研究团队在时间反演对称性存在而空间反演对称性破缺的体系中对反常热霍尔效应进行了研究,发现此时其线性效应由于昂萨格倒易关系的限制而消失,其二阶非线性效应存在且占主导地位。发现内禀机制诱导的非线性反常霍尔热导率与温度平方成正比,而外禀机制诱导的非线性反常霍尔热导率与温度无关。这个明显的温度依赖性差异为实验上区分内禀机制和外禀机制提供了一个新途径。

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图一、(a)非线性反常热霍尔效应对温度梯度的二阶响应示意图。其中非线性反常霍尔热流正比于温度梯度的平方。非线性反常热霍尔效应的内禀(b),边跳(c)及(d)斜散射机制示意图。

  中国科学院大学博士生周达昆为该论文第一作者,湖南大学喻小琴副教授、朱振刚教授和苏刚教授为该论文的共同通讯作者。本工作得到了科技部、基金委和中科院等基金的支持。

责任编辑:脱畅