本征平面霍尔效应的轨道起源 | 前沿快讯No.42

原创中国物理学会中国物理学会 2024-04-13

新加坡科技与设计大学量子材料研究实验室Hui Wang等发展出本征平面霍尔效应的普适理论，强调了先前未知的轨道机制，并将其与能带几何物理量——异常轨道极化率联系起来。重要的是，轨道机制并不需要自旋轨道耦合，因此在具有弱自旋轨道耦合的系统中，可能存在相当大的本征平面霍尔效应，并由轨道贡献所主导。相关研究成果以Orbital Origin of the Intrinsic Planar Hall Effect为题，发表于《物理评论快报》Physical Review Letters, 2024, 132,056301上。

霍尔效应在凝聚态物理中具有重要的意义。在非磁性材料中，霍尔效应在外加磁场的作用下出现。对于输运平面外的磁场，由洛伦兹力引起普通的霍尔效应。最近，在某些块体非磁性材料的实验中发现了一种新型的霍尔效应，其中霍尔响应是由平面内的磁场引起，与磁场的关系表示为j_H ~ EB。这种霍尔效应不同于许多以前报道的平面霍尔效应，因为在之前报道的平面霍尔效应中，其霍尔电流是磁场的偶函数，因此不是真正的霍尔响应，而是对应非对角各向异性磁电阻。

对这种霍尔效应已有许多理论研究，然而，由于以下原因，目前的理解远不完整。首先，现有的理论是完全基于自旋和平面内磁场之间的自旋轨道耦合和塞曼耦合。当忽略自旋轨道耦合时，预测的响应就会消失。这种处理方法忽略了能够在不考虑自旋轨道耦合时引起霍尔输运行为的布洛赫电子轨道自由度。其次，以往的工作主要集中在特定的模型上，如Rashba模型、改进的卢丁格模型和蜂窝晶格模型。迫切需要发展一种普适的理论，可以实现在第一性原理计算的真实材料中。第三，要能从尺度关系和对称约束中很容易地看出允许本征贡献存在的配置条件。为了理解本征平面霍尔效应并使其成为一个有用的工具，必须阐明本征平面霍尔效应潜在的本征能带几何特性。

本文作者通过构想一个本征平面霍尔效应的普适理论来解决了上述挑战。作者发现，除了贝里曲率、自旋曲率和轨道磁矩外，还有两个新的能带几何物理量发挥作用——反常自旋极化率和反常轨道极化率。除了自旋贡献外，作者揭示了对本征平面霍尔效应先前未知的轨道贡献，其与反常轨道极化率有关，可以产生较大的响应，并在具有弱自旋轨道耦合的体系中占据主导。作者用材料的本征能带结构来表示响应张量，阐明了该效应的对称性，并得到了32个晶系的响应张量的形式。结合理论和第一性原理的计算，作者对三种具体材料（TaSb₂、NbAs₂和SrAs₃）中的本征平面霍尔效应进行了定量评估，证明了尽管在自旋轨道耦合相对较大的TaSb₂中自旋和轨道贡献相似，但在自旋轨道耦合较弱的NbAs₂和SrAs₃中轨道机制完全占主导地位。此外，对于SrAs₃，较大的响应可以进一步归因于在费米能级上围绕在拓扑节点环周围反常轨道极化率的增强，表明本征平面霍尔效应是一种探测拓扑能带结构的新方法。

图1 TaSb₂和NbAs₂的晶体结构、能带结构、计算得到的本征平面霍尔效应系数。

表1 计算得到的三种材料的本征平面霍尔效应系数X_zx（以Ω⁻¹m⁻¹T⁻¹为单位）。

图2 SrAs₃的晶体结构、能带结构、计算得到的本征平面霍尔效应系数、费米面上对本征平面霍尔效应系数动量空间分辨的贡献。

原文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.056301

编译：不言

排版：不言

美编：农民

责编：理趣

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