研究：一种新型磁性半导体，为反常霍尔效应提供了新视角

近日，东京理工大学材料科学家进行的一项研究表明，在没有大规模磁排序的情况下，新型磁性半导体中存在大规模的异常霍尔电阻，这也验证了最近的理论预测。他们的发现为反常霍尔效应提供了新的见解，这是一种以前与长程磁序相关的量子现象。

带电粒子（如电子）在电场和磁场的影响下移动时，可以表现出相互影响的方式。例如，当磁场垂直于载流导体的平面时，内部流动的电子由于磁力而开始侧向偏离。很快，导体两端就会出现电压差，这种现象被称为“霍尔效应”。

然而，霍尔效应并不一定需要摆弄磁铁。事实上，它可以在具有长程磁性有序的磁性材料中直接观察到，例如铁磁体。这种现象被称为“反常霍尔效应”（AHE），似乎是霍尔效应的近亲。但是，它的机制更复杂。目前，最被接受的说法是，AHE 是由电子能带的一种被称为“贝里曲率”的特性产生的。

磁性排序对AHE来说是必要的吗？最近的一个理论表明并非如此。出于好奇，内田博士和他在日本的合作者决定对这一理论进行测试。

他们研究了一种新的磁性半导体EuAs的磁特性，该材料仅具有一个奇特的扭曲三角形晶格结构，并观察到23K以下的反铁磁（AFM）行为（相邻的电子自旋排列在相反的方向）。此外，他们观察到，在有外部磁场的情况下，该材料的电阻随温度急剧下降，这种行为被称为"巨大的磁电阻"（CMR）。然而，更有趣的是，CMR甚至在23K以上也被观察到，在那里AFM的秩序消失了。

更加令人惊讶的发现就是霍尔电阻率随温度升高，在70K时达到顶峰，远远高于AFM排序温度，这表明在没有磁性排序的情况下，大型AHE也是可能的。为了了解这种现象的产生原因，研究小组进行了模型计算。结果显示，这种效应可以归因于三角晶格上的自旋簇对电子的倾斜散射，在这种“跳跃制度”下，电子不流动，而是在原子之间“跳跃”。

研究人员表示，这些结果使我们能更加了解磁性固体内部电子的奇怪行为。新发现有助于阐明三角晶格磁性半导体，并有可能打开一个新的研究领域。

该研究论文题为“Above-ordering-temperature large anomalous Hall effect in a triangular-lattice magnetic semiconductor”，已发表在 Science Advances期刊上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl5381

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尽管电子器件越来越小，越来越快，但目前的晶体管只能缩小到一定程度，难以突破极限。

据报道，史蒂文斯理工学院的研究人员开发了一种新型的原子薄磁体半导体，这通过利用电子的电荷及其自旋的力量，将能够开发出以完全不同的方式工作的新型晶体管。

研究人员说，这可能提供了一种制造更小、更快的器件的方法，他们在2020年4月的《自然通讯》杂志上发表了这一发现。

自旋电子学是研究固态器件中电子的本征自旋及其相关的磁矩和电荷的学科。

由于摩尔定律，预计在不久的将来，标准电子器件将达到其“极限”。而自旋电子学提出了一种全新的电子 *** 作方式，并为标准电子器件的持续小型化提供了一种新的替代方案。

据悉，除了可以做到更小的器件，该团队的原子薄磁铁据说能够实现更快的处理速度、更高的存储容量和更少的能量消耗。

领导了这一项目的史蒂文斯机械工程EH Yang教授表示， “二维铁磁半导体材料中铁磁性和半导体特性共存，因为我们的材料可以在室温下工作，它使我们能够容易的半导体技术集成在一起。”

“在此材料中的磁场强度为0.5mT的而这样弱的磁场强度不能让我们拿起一个回形针，它是足够大的，以改变电子的自旋，其可用于量子比特应用，”加入史蒂文斯物理学教授斯特凡·斯特劳夫（Stefan Strauf）。

“这种材料的磁场强度是0.5 mT，虽然如此弱的磁场强度不能让我们吸起回形针，但它已足够强，足以改变电子的自旋，可以用于量子比特应用，” Stefan Strauf补充说。

研究人员认为，他们的发现可以为推进自旋电子学领域提供一个“关键平台”。

超导磁浮，就是当某种金属处于极低温度（比如-269℃）的情况下，就会产生电阻为零的现象。给这种金属通电，电流就会毫无损耗地永久流动。如果把铌钛之类的超导线制成线圈，放在液体氮中，当温度降到-269℃时通上电流，就成为超导电磁铁。用超导磁体与轨道导体中所感应的电流之间的相斥使车辆浮起。

电导率(conductivity)介于金属和绝缘体(insulator)之间的固体材料。半导体于室温时电导率约在10ˉ10～10000/Ω·cm之间，纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导体等。

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