beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室吳孝松教授課題組與合作者在籠目軟磁材料Fe₃Sn₂中觀測到了磁非線性反常霍爾效應，相關成果以“籠目磁體Fe₃Sn₂中的軌道磁非線性反常霍爾效應”（Orbital Magneto-Nonlinear Anomalous Hall Effect in Kagome Magnet Fe₃Sn₂）為題在線發表于《物理評論快報》 （Physical Review Letters），并被《物理》（Physics）雜志在“視角”（Viewpoint）專欄介紹，入選“編輯推薦”（Editors' Suggestion）。

能帶理論是固體物理的核心理論之一，對于很多固體物理效應，基于色散關系，把電子視為一個經典粒子來研究的處理方法就可以給出相當準确的結果，而無需關心電子量子波函數的性質。然而，近二十年來拓撲物态領域的建立和發展，凸顯貝裡曲率這一波函數幾何性質的重要作用。貝裡曲率是量子幾何張量的虛部，表征希爾伯特空間中波函數的相位距離。量子度規（quantum metric）則是量子幾何張量的實部，表征波函數的幅值距離。最近，量子度規的物理意義和作用開始受到人們的關注。2023年兩個實驗小組各自在反鐵磁體MnBi₂Te₄中證實了量子度規導緻的本征非線性霍爾效應。這一效應也被稱為電非線性霍爾效應，由牛謙教授課題組于2014年預言。

與電非線性霍爾效應同時被預言的還有另一種效應，稱為磁非線性霍爾效應。該效應與兩個量子幾何量有關：量子度規和克裡斯托弗爾符号（Christoffel symbol），這兩個量一起使得布裡淵區構成一個黎曼流形。相比電非線性霍爾效應，磁非線性霍爾效應對材料的晶體對稱性沒有特别的要求，原則上可以在更多的材料中出現。但是，該效應和洛倫茲力導緻的正常霍爾效應具有相同的電磁場依賴關系，導緻很難區分，因而實驗觀測比較困難。

2022年吳孝松課題組與合作者在異維超晶格V₅S₈中觀測到面内反常霍爾效應[Nature 609, 46(2022)]，這種磁場在霍爾測量面内的獨特配置能大大抑制正常霍爾效應，從而為磁非線性霍爾效應的觀測提供了契機。近日，吳孝松課題組與合作者在拓撲半金屬Fe₃Sn₂中觀測到面内霍爾效應，分析排除了正常霍爾效應的貢獻，綜合實驗證據指出這就是磁非線性霍爾效應。進一步地，因為外加磁場遠小于材料中的巨大交換場，自旋自由度在該效應中的貢獻可以忽略，所以這是磁場作用在軌道自由度上産生的結果。第一性原理計算進一步支持實驗結論，即觀測到的現象為量子幾何導緻的磁非線性霍爾效應。

圖1 a,b霍爾效應在磁場/磁化打破鏡面對稱性時出現，面内反常霍爾效應（插圖）由與磁化相關的跳變（斜散射機制主導）和與磁場相關的線性依賴（磁非線性反常霍爾效應）兩部分構成。c,d面内反常霍爾效應呈現120°周期性，區别于正常霍爾效應的行為，同時符合晶體對稱性的要求。

該工作實驗證實了磁非線性霍爾效應，同時為探測布洛赫波函數的量子幾何性質提供了一種實驗探測手段。《物理》（Physics）雜志“視角”（Viewpoint）專欄以“量子幾何導緻的一種新型霍爾效應“為題進行了報道，稱該項研究打開了霍爾效應研究的新篇章。

beat365官方网站2020級博士生王陸君瑜、新加坡科技設計大學博士畢業生朱嬌嬌、beat365官方网站2023級博士生陳海雲和新加坡科技設計大學博士後王慧為論文共同第一作者。吳孝松、澳門大學肖聰助理教授和北京理工大學王秩偉教授為通訊作者。該工作得到國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金、新加坡國立研究基金會等的支持。

文章鍊接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.106601