理论建模揭示了一种新的非线性霍尔效应
(a)显示了材料是如何在异质结构中分层的，在顶部和底部分别有6个磁性MBT七层(SLs)和BP层。(b)显示单个MBT SL中的原子排列。(c)显示BP中的原子排列。资料来源:美国能源部艾姆斯国家实验室
由艾姆斯国家实验室领导的美国能源部科学办公室下属的能源前沿研究中心——拓扑半金属发展中心(CATS)的一个国际研究小组，通过实验证明了一种新型的非线性霍尔效应。这种霍尔效应是由量子度量驱动的，量子度量定义了晶体内部电子波函数之间的距离。
实验工作由哈佛大学的科学家领导，而理论模型是在艾姆斯实验室开发的。这个项目提供了非线性霍尔效应的第一个实验证明，这只是理论化到这一点。
作为CATS项目的一部分，在艾姆斯领导理论工作的彼得·奥斯解释说，理论建模对于理解实验过程中发生的事情是必要的。诺斯和博士后学者泰斯·v·特雷维桑利用他们的专业知识揭开了实验揭示的复杂相互作用。
本研究使用的材料由锰铋碲(MnBi2Te4或MBT)组成。为了看到这种现象，奥斯解释说，标本必须具有特殊的对称性。奥斯说:“但如果你只考虑纯MBT，这种现象实际上是零对称的。”因此，实验人员在MBT的顶部和底部添加了具有不同对称性的黑磷层(BP)。BP与MBT相互作用，破坏了对称性，导致非零非线性霍尔响应。
根据奥斯的说法，这个实验的目标是了解量子度量非线性霍尔效应的起源。他们想知道这是由晶格应变还是由MBT和BP层之间的电子混合驱动的。
“我们的贡献是在理论上建立了这个系统的模型。这是相当具有挑战性的，因为我们有这两种材料，MBT和BP，它们具有不同的晶格常数和不同的对称性。”“这就像是一项工程挑战。”
“当你连接两个系统时，基本上一个晶格会对另一个系统施加应变，从而降低对称性。这就像你移动原子的一种效应，”奥斯解释说。“或者你可以有电子耦合，所以电子从一个晶格层跳到系统的另一部分，然后再跳回来，这更像是电子状态的混合。”
将晶格应变和电子混合结合到模型中使其变得更加复杂，“但是为了捕获这些实验观察到的效应，这种电子混合是非常重要的，”奥斯说。计算结果表明，这一现象来自于两个不同晶格之间的应变和两种机制相关的具有不同实验特征的电子混合。
该团队成功地证明了实验结果源于量子度量非线性霍尔效应。CATS主任、ISU教授Rob McQueeney说:“这些结果是我们在CATS中努力实现的核心目标。具有令人兴奋和可预测的反应的新材料，如量子度量霍尔效应，等待发现，最终可能成为电子元件或传感器的未来平台。”
在《科学》杂志上发表的论文《拓扑反铁磁异质结构中的量子度量非线性霍尔效应》中，对这项研究进行了进一步的讨论。
更多信息:安远等，拓扑反铁磁异质结构中的量子度量非线性霍尔效应，Science(2023)。DOI: 10.1126 / science.adf1506
期刊信息:Science