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通过散射理论理解由手性驱动的反常霍尔效应
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通过散射理论理解由手性驱动的反常霍尔效应 **通过散射理论理解由手性驱动的反常霍尔效应** 日本东京科学大学（Science Tokyo）的科学家提出了一种全新的理论框架，用于理解高导电金属中与手性相关的反常霍尔效应（AHE）所表现出的非单调温度依赖性及符号反转现象。该框架清晰揭示了手性驱动输运现象异常温度行为的物理图像，为下一代自旋电子器件和磁性量子材料的理性设计奠定了基础。 --- ### 磁性性质与输运现象 磁性材料在磁化过程中会展现出多种引人入胜的性质，这些性质反映了其磁态与激发特征。通常通过对材料施加外磁场来研究这些性质，并由此获得磁化曲线。磁性金属在输运现象方面同样表现出丰富的行为，即在磁场作用下电荷、热量或自旋的流动。 然而，其中一些行为难以仅通过磁化曲线加以探测。反常霍尔效应（AHE）便是这样一种现象。在 AHE 中，当电流通过磁性金属时，即使没有外加磁场，也会在垂直于电流方向上产生电压。相比之下，在传统霍尔效应中，只有在施加外磁场时才会出现这种横向电压。 --- ### 手性及其探测挑战 近年来，源自自旋手性的反常霍尔效应已成为探测手性磁结构（如斯格明子）的重要手段，而这些结构对于下一代自旋电子学和量子技术的发展至关重要。 然而，在实验中，与手性相关的 AHE 往往表现出复杂行为，包括异常的非单调温度依赖性，甚至霍尔信号的符号反转，使得对这些结构的清晰探测变得十分困难。目前，人们对这些现象仍缺乏系统性的理解，而且往往需要大量数值计算。 --- ### 新理论框架的提出 为应对这一挑战，日本东京科学大学（Science Tokyo）物理系副教授石塚博昭（Hiroaki Ishizuka）与日本学习院大学物理系宇田川正文（Masafumi Udagawa）教授合作，提出了一种新的理论框架。 石塚解释道：“我们的理论聚焦于电子在手性自旋纹理散射过程中产生的量子相位干涉，能够清楚地解释高导电金属中 AHE 随温度和磁场变化而表现出的令人困惑的行为。” 相关研究成果已发表在 *Physical Review Letters* 上。 --- ### 建模与模拟方法 研究人员采用了定义在 kagomé 晶格上的 Ising 自旋 Kondo 晶格模型（即所谓的 kagomé ice），该模型被认为是研究手性相关 AHE 的基本模型。基于散射理论，他们首先推导出偏斜散射型反常霍尔效应的一般公式。 该公式包含标量自旋手性以及费米能级处电子的径向波函数，从而捕捉不同自旋关联所产生的贡献。为研究 AHE 对温度和横向磁场的依赖性，研究人员将该公式应用于蒙特卡罗模拟之中。 --- ### 主要发现与意义 分析结果表明，AHE 随费米波矢呈现非单调依赖性，并在磁相图中发生符号反转。石塚指出：“随着费米波长的变化，霍尔响应会发生振荡并反转符号，这一效应源于控制量子干涉的贝塞尔函数的节点结构。” 更重要的是，该理论模型阐明了这些行为的物理起源。在低磁场下，短程与长程自旋关联贡献之间的竞争导致了温度降低时的非单调行为；而在高磁场下，自旋关联随温度演化的非单调性则引发了 AHE 的符号反转。 石塚表示：“这些发现为理解由手性驱动的输运现象描绘了一幅清晰的物理图景。” 他补充道：“我们的理论框架不仅为结合第一性原理计算与实验数据分析真实磁性材料提供了切实可行的指导，同时也为未来自旋电子器件和磁性量子材料的理性设计奠定了基础。” 总体而言，该研究深化了我们对反常霍尔效应的理解，并有望加速下一代自旋电子学与量子技术的发展。 Publication details Ryunosuke Terasawa et al, Sign Reversal and Nonmonotonicity of Chirality-Related Anomalous Hall Effect in Highly Conductive Metals, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/v97v-wpyx. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2502.04886 Journal information: Physical Review Letters , arXiv |
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