beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所吳孝松研究員課題組與合作者發現了一種硫釩化合物的異維超晶格結構，觀測到新奇面内反常霍爾效應，為未來超晶格材料開辟了新的設計思路。2022年8月31日，相關研究工作以“具有面内反常霍爾效應的異維超晶格”（Heterodimensional superlattice with in-plane anomalous Hall effect）為題，在線發表于《自然》（Nature）。

美國物理學家埃德溫·霍爾（Edwin Hall）于1879年發現了正常霍爾效應（ordinary Hall effect），兩年後又在鐵磁金屬中發現反常霍爾效應（anomalous Hall effect）。如今，霍爾效應已經成為凝聚态物理研究的重要工具；諸多霍爾效應，如整數和分數量子霍爾效應，以及近年來發現的量子自旋霍爾效應、量子反常霍爾效應等，極大地推動了凝聚态物理學和相關學科的發展。

在正常霍爾效應中，施加的外電場E在樣品測量平面内，而磁場B垂直于樣品平面，産生的霍爾電流J_H在樣品平面内，且方向和電場垂直；這三個矢量兩兩垂直的關系源于載流子所受到的洛倫茲力F=ev×B。在反常霍爾效應中，磁場B被磁化強度M替代，也滿足J_H∝E×M這樣的兩兩垂直關系。因此，當磁場B或者磁化強度M在樣品平面内時，通常不存在霍爾效應。

近日，beat365官方网站凝聚态所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心吳孝松研究員與北京理工大學beat365周家東、姚裕貴教授，日本大阪大學Kazu Suenaga教授，新加坡南洋理工大學劉政教授等合作，合成了一種硫釩化合物（分子式為V₅S₈），并系統研究了其結構和電輸運性質。他們發現，當磁場B在樣品平面内時，這種材料表現出有悖于人們直覺的面内霍爾效應。進一步的透射電子顯微鏡結構分析揭示出，該材料具有新型的超晶格結構，即由二維VS₂原子晶體和一維VS原子鍊陣列交替堆疊而成（圖1）；此異維結構有别于由不同材料的二維薄膜堆疊而成的傳統超晶格結構，為未來超晶格材料開辟了新的設計思路。

圖 1  VS₂-VS異維超晶格結構

實驗發現的新奇面内霍爾效應源于該材料中特殊形式的自旋軌道耦合。在面内磁場和自旋軌道耦合的作用下，能帶産生了具有面外分量的貝裡曲率。貝裡曲率可以被視為動量空間的虛拟磁場，因此載流子在該虛拟磁場作用下發生偏轉，産生了面内霍爾效應。第一性原理的計算結果和實驗符合得很好，從而進一步證實了這一物理機制。目前，結合該材料自旋軌道耦合的超導約瑟夫森效應研究也已經展開（J. Appl. Phys. 131, 093903 (2022)；Chin. Phys. B 31, 057402 (2022)）。

圖2  VS₂-VS超晶格的輸運測量及面内反常霍爾效應：a.磁場沿不同方向的霍爾效應；b.不同溫度下的面内霍爾效應；c.面内霍爾電導的溫度關系；d～f.霍爾電阻随磁場方向的變化關系

2022年8月31日，相關研究工作以“具有面内反常霍爾效應的異維超晶格”（Heterodimensional superlattice with in-plane anomalous Hall effect）為題，在線發表于《自然》（Nature）；北京理工大學周家東教授、beat365官方网站2020屆博士畢業生章文傑（現為德國馬克斯·普朗克微結構物理研究所博士後）、大阪大學Yung-Chang Lin研究員和北京理工大學beat3652018級博士研究生曹晉為共同第一作者，周家東、姚裕貴、Kazu Suenaga、吳孝松和劉政為共同通訊作者。該項工作由吳孝松課題組發起，首先觀察到材料的面内反常霍爾效應并用透射電鏡進行初步的結構表征，由此發現樣品的晶體結構不同于任何已知的硫釩化合物；随後，Kazu Suenaga課題組用精細的透射電鏡實驗确定了材料的結構；劉政課題組生長出樣品，并根據晶體結構提出“異維超晶格”的概念；姚裕貴課題組通過第一性原理計算，證實了面内磁場所緻的面外貝裡曲率是這種新型霍爾效應的根源。主要合作者還包括來自中國科學院物理研究所、極端條件凝聚态物理安徽省重點實驗室、德國馬克斯·普朗克微結構物理研究所、南方科技大學、上海大學等機構和高校的研究人員。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等支持。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05031-2