Гигантский магнето-кубический планарный эффект Холла в немагнитном материале

Электрические токи, которые поворачивают вбок

В большинстве случаев, когда электрический ток протекает через металл и применяется магнитное поле, мы точно знаем, как ток отклоняется. Это боковое отклонение, называемое эффектом Холла, — один из основных инструментов современной электроники и датчиков. В этом исследовании авторы показывают, что даже в немагнитном материале может появиться очень большой поперечный ток, когда магнитное поле лежит в плоскости тока, что открывает новый путь управления электричеством с помощью магнитов в широком диапазоне температур.

Иная вариация классического электрического эффекта

В обычном эффекте Холла магнитное поле направляют перпендикулярно тонкой пластинке с током, и заряды скапливаются вдоль краёв. Недавно учёные обнаружили, что ответ Холла может возникать и когда поле приложено в той же плоскости, что и ток — так называемый планарный эффект Холла. Ранее эксперименты в основном проводили на магнитных материалах, где собственная намагниченность затрудняет выделение роли внешнего поля. Теория предсказывала, что некоторые немагнитные кристаллы с трёхкратной осевой симметрией должны демонстрировать особый «магнето-кубический» планарный эффект Холла, сила которого масштабируется как куб магнитного поля. До настоящего времени такое поведение не было чисто обнаружено в трёхмерном немагнитном твердом теле.

Особый кристалл, отвечающий требованиям симметрии

Команда обратилась к LuAuSn — немагнитному соединению лютеция, золота и олова, кристаллизующемуся в структуре полухейсслера. При рассмотрении вдоль определённого направления его атомные слои на поверхности (111) образуют узор с трёхкратной ротационной симметрией и плоскостями зеркалирования. Эти симметрийные свойства имеют ключевое значение: они запрещают обычный линейный планарный отклик Холла, но допускают кубический, и предсказывают, что поперечное напряжение должно повторяться каждые одну треть полного оборота при повороте магнитного поля в плоскости. Высококачественные монокристаллы выращивали методом флюса на основе олова, а их ориентацию точно проверяли с помощью рентгеновской и Лё-дифракции перед измерениями транспорта.

Наблюдая необычное искривление токов

Подавая ток в плоскости (111) и вращая магнитное поле в той же плоскости, исследователи измеряли, как поперечное напряжение меняется с углом и величиной поля. Они аккуратно выделили знакомый внеплоский сигнал Холла, который был линейным по полю, от планарного вклада. Планарный сигнал показал чистый трёхлистный рисунок при повороте поля, повторяющийся каждые 120 градусов точно в соответствии с требованиями симметрии. Ещё более примечательно, что при низких полях до примерно 3 тесла планарная сопротивляемость и проводимость Холла масштабировались как куб магнитного поля в широком температурном окне — от нескольких градусов выше абсолютного нуля до комнатной температуры. Дополнительные тесты, при которых направление тока вращали при фиксированном направлении поля, подтвердили, что эффект в основном зависит от взаимного расположения поля и кристалла, а не от направления тока, что отличает его от более привычной планарной магниторезистивности.

Скрытые процессы рассеяния выполняют основную работу

Величина планарной проводимости Холла в LuAuSn огромна: при 2 К и 3 Т она превышает таковую для хорошо изученного немагнитного материала ZrTe5 более чем на порядок и даже превосходит известные магнитные системы, демонстрирующие планарный эффект Холла. Чтобы понять источник этого большого сигнала, авторы сочетали расчет электронной структуры от первых принципов с анализом масштабирования, который отслеживает, как проводимость Холла меняется вместе с обычной проводимостью кристалла при изменении температуры. Расчёты показывают, что внутренние эффекты, связанные с квантовой геометрией энергетических зон, а также простая картина с силой Лоренца слишком малы. Вместо этого данные лучше всего объясняются более тонкими процессами рассеяния: событиями side-jump, когда носители заряда «прыгают» вбок при столкновении с примесями или колеблющимися атомами, и skew-scattering — когда вероятности рассеяния смещены в одну сторону. Как рассеяние на примесях, так и на фононах вносят значительный вклад, и вместе они порождают гигантский кубический планарный отклик Холла.

От фундаментальной физики к будущим устройствам

Работа демонстрирует, что в немагнитном кристалле может возникать очень большой планарный эффект Холла, который сильно нелинеен по магнитному полю и устойчив вплоть до комнатной температуры. Для неспециалистов ключевая мысль такова: то, как электроны отскакивают от дефектов и тепловых колебаний внутри тщательно сконструированного кристалла, можно использовать для управляемого бокового отклонения токов без опоры на встроенную в материал магнетизацию. LuAuSn поэтому представляет собой чистую модельную систему для изучения новых семейств планарных эффектов Холла, Нернста и тепловых ответов, а также указывает практические пути к устройствам, которые используют планарные магнитные поля для переключения или обнаружения электрических сигналов с высокой эффективностью.

Цитирование: Chen, J., Cao, J., Lu, Y. et al. Giant magneto-cubic in-plane Hall effect in a nonmagnetic material. Nat Commun 17, 4276 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70726-3

Ключевые слова: планарный эффект Холла, немагнитные материалы, LuAuSn, рассеяние электронов, магнитотранспорт