物理学重大突破：日本科学家在非磁材料中检测到“异常霍尔效应”

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https://interestingengineering.com/energy/anomalous-hall-effect-detected-non-magnetic-material

东京科学技术研究所的物理学家团队成功在砷化镉这一非磁性材料中观察到异常霍尔效应，彻底打破了这一现象只能存在于磁性材料中的百年科学定律。这项发现不仅推翻了自1879年埃德温·霍尔发现霍尔效应以来物理学界的基本假设，更为电子学、传感技术和量子器件的发展开辟了全新路径。

领导这项研究的东京科学技术研究所副教授内田雅樹表示，团队首次通过实验证实可以利用平面磁场在非磁性材料中定量检测异常霍尔效应。这一突破性发现挑战了数十年来"异常霍尔效应始终由自旋驱动且只发生在磁性材料中"的科学共识，为理解电子轨道效应和开发新一代电子器件奠定了理论基础。

一块 Cd3As2 的代表性图像。 二维半导体

传统的霍尔效应描述了当电流在磁场作用下流过导体或半导体时，材料表面会产生横向电压的现象。在磁性材料中，即使没有外部磁场，由于材料自身的磁化作用，电子运动路径会发生弯曲，从而产生类似霍尔效应的电压，这就是异常霍尔效应。长期以来，科学界认为这种现象完全依赖于电子自旋和材料的磁性特质。

狄拉克半金属的独特性质

研究团队选择砷化镉作为实验材料并非偶然。这种化合物属于狄拉克半金属，其能带结构中存在特殊的狄拉克点，在这些点附近，电子的行为类似于无质量粒子，表现出独特的量子特性。当施加外部磁场时，这些狄拉克点会分裂成外尔点，显著改变电子的运动特征。

为了实现这一突破，研究团队采用分子束外延技术制备出极为纯净的砷化镉薄膜。与传统实验中垂直施加磁场的方法不同，他们创新性地在薄膜平面内施加磁场，这种方法使得他们能够有效地"滤除"普通霍尔效应的干扰，从而精确分离和测量异常霍尔效应信号。

更为重要的是，团队开发了一种可控调节电子能带结构的新技术。通过这种方法，他们不仅能够增强异常霍尔效应的信号强度，还能深入研究其物理机制。实验结果显示，在砷化镉薄膜中观察到的异常霍尔效应并非来自传统的自旋磁化，而是源于轨道磁化，即电子自身圆周轨道运动产生的磁性效应。

这一发现的理论意义极为深远。在反磁性材料的相互作用研究中，轨道贡献往往被忽视，科学家更多关注自旋相关的效应。然而，这项研究证明轨道磁化在非磁性材料中同样可以产生显著的异常霍尔效应，这为理解固体物理中的基本相互作用机制提供了新的视角。

技术应用前景与产业影响

这一基础物理学突破带来的技术应用前景极其广阔。传统的霍尔传感器依赖磁性材料实现功能，在某些极端环境下可能面临性能限制。基于非磁性材料异常霍尔效应的新型传感器有望在更广泛的温度范围和磁场环境中稳定工作，同时具有更快的响应速度和更小的器件尺寸。

在自旋电子学领域，这一发现为开发不依赖传统磁性材料的新型器件提供了可能性。这类器件可能具有更低的功耗、更高的集成度和更好的可控性，为下一代信息存储和处理技术的发展注入新动力。

量子计算和量子信息处理也可能从中受益。狄拉克半金属的特殊电子结构使其成为构建拓扑量子器件的理想材料。结合异常霍尔效应的新理解，科学家可能开发出性能更优异的量子比特和量子逻辑门。

从材料科学角度看，这项研究为探索其他非磁性材料中的类似现象提供了方法指导。除了砷化镉，其他狄拉克半金属和外尔半金属也可能表现出类似的轨道磁化效应，这将大大扩展可用于电子器件的材料范围。

科学方法论的创新意义

这项研究的成功不仅在于发现了新的物理现象，更在于展示了突破传统思维框架的重要性。数十年来，科学界将异常霍尔效应与磁性材料紧密关联，这种固化的认知在一定程度上限制了研究视野。日本团队通过质疑基本假设并设计巧妙的实验方案，成功打破了这一认知壁垒。

实验方法的创新同样值得关注。平面磁场的应用、能带结构的可控调节以及信号分离技术的开发，这些方法学上的突破为其他相关研究提供了有价值的借鉴。这种多技术融合的研究方式体现了现代物理学实验的复杂性和系统性。

研究结果的可重现性和可扩展性也为后续研究奠定了基础。其他研究团队可以基于这一方法框架，探索更多材料体系中的异常霍尔效应，推动整个领域的快速发展。

内田雅樹教授表示，团队希望这些研究结果能够促进基础物理学研究和实际应用开发的双重进展。他特别强调，基于非磁性材料异常霍尔效应的霍尔传感器和其他器件可能比现有技术更加高效，并且能在更广泛的条件下稳定运行。

展望未来，这项发现可能催生一个全新的研究领域，专注于非磁性材料中的磁性现象。随着理论理解的深入和实验技术的完善，基于轨道磁化的电子器件有望在未来几年内从实验室走向实际应用，为电子工业的发展带来革命性变化。