非磁性材料中的巨磁立方面内霍尔效应

电流侧向转弯的现象

大多数情况下，当电流在金属中流动并施加磁场时，电流的偏折方式是可以预期的。这种侧向偏转被称为霍尔效应，是现代电子设备和传感器的重要基础。在这项研究中，研究人员表明，即使在非磁性材料中，当磁场位于电流所在平面时，也能出现非常大的侧向电流，揭示了在广泛温度范围内用磁场控制电流的新途径。

对经典电效应的变体

在传统霍尔效应中，磁场垂直作用于承载电流的薄片，电荷在边缘累积。最近，科学家发现当磁场施加在与电流同一平面时，也可以出现霍尔响应——即面内霍尔效应。早期实验多在磁性材料中进行，其中固有磁化会掩盖外加磁场单独对电流的影响。然而理论预测，具有三重旋转对称的某些非磁性晶体应该出现一种特殊的“磁-立方”面内霍尔效应，其强度随磁场的三次方标度。直到现在，这种行为尚未在三维非磁性固体中被清晰观测到。

满足对称性规则的特殊晶体

研究组选用了LuAuSn——一种由镥、金和锡组成的非磁性化合物，其结晶于半豪斯勒（half-Heusler）结构。从特定方向观察时，其(111)面上的原子层呈现出三重旋转对称和镜面对称。这些对称性至关重要：它们禁止通常的线性面内霍尔响应，但允许立方响应，并预测当磁场在平面内旋转时，侧向电压应每转动三分之一圈重复一次。研究人员使用锡通量法生长出高质量单晶，并在电输运测量前用X射线和劳厄衍射精确校准晶向。

观察电流以不同寻常的方式偏折

通过在(111)平面内驱动电流并在同一平面内旋转磁场，研究人员测量了侧向电压随角度和磁场强度的变化。他们小心分离出熟悉的、随磁场线性变化的面外霍尔信号与面内贡献。面内信号在磁场旋转时展现出干净的三瓣模式，每120度重复一次，恰与对称性要求一致。更显著的是，在约3特斯拉以下的低场区间，面内霍尔电阻率和电导率在从接近绝对零度到室温的宽温度窗口内随磁场的三次方标度。进一步的测试中，当固定磁场方向而旋转电流方向时，结果证实该效应主要取决于磁场与晶体之间的相对关系，而非与电流方向的关系，从而将其与更常见的面内磁阻区分开来。

隐蔽的散射过程发挥关键作用

LuAuSn中面内霍尔电导的量级极大：在2开尔文、3特斯拉时，其强度比被广泛研究的非磁性材料ZrTe5高出一个数量级以上，甚至超过已知的一些呈现面内霍尔响应的磁性体系。为了解这一强信号的来源，作者结合了第一性原理电子结构计算与标度分析，追踪霍尔电导随晶体普通电导随温度变化的关系。计算表明，与电子能带的量子几何相关的固有效应以及简单的洛伦兹力图景都太小，无法解释观测到的信号。相反，数据最能被更微妙的散射过程所解释：侧跳事件（载流子在与杂质或振动原子相互作用时横向“跳跃”）和偏斜散射（散射概率偏向一侧）。杂质散射和声子散射都对效应有强烈贡献，二者共同产生了巨大的立方面内霍尔响应。

从基础物理到未来器件

这项工作表明，非磁性晶体可以承载一种在磁场上强烈非线性且可在室温下保持的巨大面内霍尔效应。对非专业读者而言，关键信息是：在精心设计的晶体中，电子与缺陷和振动的碰撞方式可以被利用来可控地将电流侧向导向，而无需材料内部固有的磁性。因此，LuAuSn为探索新型面内霍尔、纳恩斯特和热输运效应提供了一个清晰的模型体系，并提示了利用面内磁场高效切换或检测电信号的实际应用路线。

引用: 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

关键词: 面内霍尔效应, 非磁性材料, LuAuSn, 电子散射, 磁输运