什么是半导体导带中电子的顺磁性

什么是半导体导带中电子的顺磁性？答:顺磁性是指材料对磁场响应很弱的磁性。如用磁化率 k=M/H 来表示（M和H分别为磁化强度和磁场强度），从这个关系来看，磁化率k是正的，即磁化强度的方向与磁场强度的相同，数值为10－6—10－3量级。

所有物质都具有反磁性。在外磁场作用下，电子的轨道运动产生附加转动，动量矩发生变化，产生与外磁场相反的感生磁矩，表现出反磁性。但在含有不成对电子的物质中被顺磁磁化率掩盖。

抗磁性是指一种弱磁性。组成物质的原子中，运动的电子在磁场中受电磁感应而表现出的属性。外加磁场使电子轨道动量矩绕磁场进动，产生与磁场方向相反的附加磁矩，故磁化率k抗为很小的负值（10－5—10－6量级）。所有物质都具有抗磁性。

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

---