在扭曲的 Fe3GeTe2 金属体系中出现的大型拓扑霍尔效应

为什么扭动原子级薄磁体很重要

想象通过堆叠两片超薄金属磁性薄片并将其中一片旋转不到一度来构建一个微小的磁性器件。这个看似极小的扭动可以彻底改变电子的运动方式，产生新型的电学信号，对未来低功耗技术有重要价值。在这项工作中，研究者表明，当两层金属磁体 Fe3GeTe2 以恰当角度扭转时，会产生异常大的横向电学响应，这与称为斯格明子的旋转自旋图样有关——揭示了一种在二维材料中设计富含信息的磁态的新途径。

将金属磁体扭入新态

Fe3GeTe2 是由自然像纸张一样堆叠的层构成的金属磁体，整体上保持近似镜面对称。通常，这种材料表现为常规铁磁体：其原子磁矩倾向于对齐，电子显示出众所周知的异常霍尔效应。本研究的惊喜在于，当两片 Fe3GeTe2 薄片相互叠放并相对轻微扭转约半度时，体系会出现一个额外的霍尔信号，这不能用普通磁性来解释。这种额外贡献被称为拓扑霍尔效应，通常被视为非平凡自旋结构（如斯格明子）的指纹。

寻找“魔法”扭角窗口

为析出扭转的作用，团队开发了一种改良的“撕裂并叠加”方法，使用极具粘性的聚合物（PCL）并辅以一层薄的六方氮化硼绝缘层。该方法允许他们将单片 Fe3GeTe2 撕成两半，将一半按可控角度（最小可达 0.015°）旋转并重新叠合，保持良好对齐，然后加上电极以探测其电学行为。他们制备了多个扭角在 0° 到 5° 之间的器件，制备流程除旋转角度外均相同。输运测量表明，只有在约 0.45° 到 0.75° 之间扭转的器件，在常规霍尔信号上会出现明显的驼峰状特征——这是拓扑霍尔效应的特征。在这个狭窄的“魔法”窗口之外，响应恢复为普通铁磁体的表现，强调了该新效应的涌现性和由扭转控制的特性。

厚度与隐匿不对称如何产生斯格明子

非同寻常的霍尔信号强度对扭曲区域的厚度也非常敏感。当组合的 Fe3GeTe2 堆叠厚度约为 6 纳米时，拓扑霍尔响应很大，达到常规霍尔信号大约一半的量级。随着厚度增加到约 10 纳米，效应减弱；到 20 纳米时基本消失。这一趋势表明关键物理集中在扭曲界面处，在那里局部原子环境打破了反演对称性，即便整个晶体在平均上仍显对称。这种局部不对称允许一种特殊相互作用——德赛赫里希尼-莫里亚（Dzyaloshinskii–Moriya）相互作用——在各层内部出现，并在两层中具有相反取向，从而有利于手性自旋结构的形成。

模拟隐匿的自旋图样

为将测量结果与特定自旋排列联系起来，作者基于包含普通交换、垂向各向异性、层间耦合和扭转增强手性相互作用的连续能量模型进行了微磁学模拟。通过在模拟中改变扭角和厚度，他们得到了可能磁态的相图。在小扭角处体系形成条状自旋图样；在较大扭角处又回到均匀的铁磁态。在二者之间，即约 0.45° 到 0.75° 的扭角范围且层厚较薄时，会出现密集的斯格明子晶格。模拟得到的斯格明子尺寸和密度与从测得的拓扑霍尔信号幅度推断出的值相符，且计算出的相界与实验观测到的“魔法角”和厚度趋势一致，强烈支持斯格明子晶格的解释。

这对未来器件意味着什么

简言之，这项研究表明，在两片金属磁体之间施加极小的扭角，可以通过创造一张自旋漩涡晶格来开启一种新的、大尺度的横向电响应。由于该效应幅度大、可通过角度和厚度调控，且出现在导电材料中，扭曲的 Fe3GeTe2 为未来基于自旋的电子学甚至磁性量子模拟器提供了有前景的实验平台。该工作表明，在范德华磁体中精心设计的扭曲不仅仅是几何上的趣味性——它们是将普通磁性金属转变为承载稳健、信息量丰富的拓扑纹理平台的有力设计工具。

引用: Kim, H., Zhang, KX., Li, YH. et al. Emergent giant topological Hall effect in twisted Fe₃GeTe₂ metallic system. Nat Commun 17, 2931 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69454-5

关键词: 扭曲的范德华磁体, Fe3GeTe2, 拓扑霍尔效应, 磁斯格明子, 自旋电子学