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物理所等反常霍尔效应研究取得进展

2019-10-28 16:00:17 阅读量:4190

摘要:

  • 反常霍尔效应是最基本的电子输运性质之一。在近年来受到广泛关注的固态拓扑体系研究中,反常霍尔效应也是被研究的焦点之一。在理论上,仅有个别小组研究过电子和电子之间的多体相互作用是否会影响反常霍尔电导。上述

反常霍尔效应是最基本的电子输运性质之一。尽管埃德温·霍尔早在1881年就发现了霍尔效应的异常,但其微观机制的建立经历了100多年的漫长过程。本世纪初,牛倩等人的理论工作揭示了异常霍尔效应的内在机理与材料能带结构的贝里曲率有关,并得到了实验的广泛支持。因此,反常霍尔效应已经成为当今凝聚态物理研究的重要手段。近年来,霍尔效应异常也是固态拓扑系统研究的热点之一,引起了广泛关注。

然而,到目前为止,所有的实验结果基本上都是用单粒子图像下的输运理论来解释的。理论上,只有少数小组研究了电子和电子之间的多体相互作用是否会影响霍尔电导的异常。20多年前,wolfle等人通过理论计算指出,对于斜散射和侧跳两种非本征机制,电子-电子相互作用不会对异常霍尔电导率产生任何量子修正,这与电子-电子相互作用能显著改变低温下的纵向电导率和电阻率完全不同。电子-电子相互作用是否能在本征机制下改变异常霍尔电导还没有从理论上确定。

近日,中国科学院物理研究所李永清课题组(n08组)博士生杨帅、林超静/北京凝聚态研究中心纳米物理与器件重点实验室(现为日本东京理工大学博士后)与极端条件重点实验室ex10组研究员石尤果、博士生易长江、北京大学物理学院博士后李志林合作。在铁磁性半导体hgcr2se4中发现,在两个数量级以上(0.02-2 k)的温度范围内,异常霍尔电阻和异常霍尔电导与温度的平方根有明显的线性关系,这是现有理论无法解释的。研究小组还观察到HGC r2s 4样品的垂直电阻率和正常霍尔电阻率也表现出温度依赖性,但这两者都可以用altshuler等人发展的电子-电子相互作用理论进行定量描述,这些特性以及在高达15 t的磁场中进一步的电子输运测量表明,在极低温度下HGC r2s 4中观察到的巨大异常霍尔电导校正不可能来自微弱的局域化效应,电子-电子相互作用的贡献值得在理论上深入考虑。

当载流子浓度低至1015-1018cm-3接近零温度时,hgcr2se4仍能保持金属导电性,这一事实使上述实验结果受益。因此,异常霍尔效应的研究可以扩展到传统铁磁金属或半导体无法达到的参数空间。澳大利亚新南威尔士大学的教授Dimitrie culcer也是这项工作的合作伙伴。

相关实验工作最近发表在《物理评论快报》(s.yang,z.l.li等人,物理评论快报123,096601 (2019))。这项工作得到了科技部国家重点研究发展计划、科技部国家基础研究计划、国家自然科学基金、中国科学院b类重点项目和国家博士后研究基金创新人才培养计划的支持。

图1。实验中使用的汞晶体结构图(a)和单晶照片(b,c)

图2 .hgcg2se4异常霍尔效应的异常温度依赖性低温下纵向电阻率ρxx与温度的关系;(b)纵向电导率σxx与\(\sqrt{t}\)线性相关,其斜率不随磁场变化;(c)不同温度下异常霍尔电阻率ρah;纵向电阻率、正常霍尔电阻率和异常霍尔电阻率都表现出温度依赖性,但异常霍尔电阻率的相对零度变化率比前两者高出约两个数量级。异常霍尔电导率的相对变化率具有相似的值。

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