我校青年教师陈杰发现EuAl2Si2合金中外禀机制主导的超大反常霍尔效应

反常霍尔效应是一种重要的电子自旋输运现象，起源于铁磁材料或者杂质的自旋轨道耦合效应，在信息存储和传感器技术中具有重要应用，其来源机制可以分成贝利曲率驱动的内禀机制和杂质散射相关的外禀机制两种。磁性拓扑材料中非平庸的拓扑能带可以提供大贝利曲率，进而诱导大反常霍尔响应。然而，内禀机制受限于：反常霍尔电导率AHC<e²/ha，AHC通常在10²-10³ S/cm范围内，即存在一定“天花板”。追求更大的反常霍尔效应是该领域研究的重要研究前沿。要获得更大的反常霍尔效应，外禀机制是一种可靠的途径。

天津工业大学电子与信息工程学院王文洪教授团队长期从事磁性量子功能新材料研发和应用基础研究。最近，该团队陈杰副教授等发现了一种高电导率层状磁性材料EuAl₂Si₂, 其中导电层Al₂Si₂和磁性Eu原子层沿c轴交替堆叠（见图1（a））。系统的电磁输运测量结果表明该合金在低温下具有超大AHC（>10⁴Ω^-1cm^-1），与内禀机制相比，AHC高出1—2个数量级。而进一步的标度拟合表明斜散射机制的贡献主导了低温下的异常AHC增强。剩余电阻率与反常霍尔电导率拟合表明该体系斜散射系数高达0.25（见图1（d）），为目前所有材料体系中观察到的最大值。根据斜散射机制的原理推测这可能来源于层间原子巨大的自旋轨道耦合强度差以及Eu原子的大自旋磁矩。反常霍尔角AHA是反映反常霍尔效应强度的另外一个重要参量，由于斜散射机制通常发生在“干净”体系中，高电导率使得类似体系的AHA很小。EuAl₂Si₂中大斜散射系数使我们获得了超大AHC的同时还具有大的AHA（>10%）（见图1（c））。优异的性能使得该材料成为研究外禀机制的贡献的绝佳平台。该项研究的创新之处在于发现了一种适合研究外禀机制反常霍尔效应的新型材料体系，深入地分析增强了我们对外禀机制特征的理解。这种材料的发现为开发新型传感器和信息存储设备提供了潜在的应用前景。

图1、EuAl₂Si₂合金晶体结构、散射机制、反常霍尔角AHA和斜散射系数

该成果以“Colossal anomalous Hall effect in the layered antiferromagnetic EuAl₂Si₂ compound”（《EuAl₂Si₂合金中外禀机制主导的超大反常霍尔效应》）为题，发表在英国皇家化学会期刊《Materials Horizons》（if 12.2）上。该研究由天津工业大学、北京理工大学、中国科学院物理研究所共同完成。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金的支持。

（审核：电子与信息工程学院 牛萍娟 编辑：党委宣传部 胡敏）

图片来源：电子与信息工程学院