固态物理学的惊喜：无磁铁的磁效应

该材料的行为就像存在磁性单极子一样。

固态物理学的惊喜：通常需要磁场的霍尔效应也可以以完全不同的方式产生-具有极高的强度。

电流会被磁场偏转-在导电材料中会导致所谓的霍尔效应。该效应通常用于测量磁场。保罗·舍勒研究所（瑞士），麦克马特大学（加拿大）和莱斯大学（美国）的科学家合作，在维也纳工业大学发现了​​一个令人惊讶的发现：对一种由铈，铋和钯制成的稀有金属进行了研究。在完全没有任何磁场的情况下，该材料会产生巨大的霍尔效应。这种出乎意料的结果的原因在于电子的不同寻常的特性：它们的行为就像材料中存在磁性单极子一样。这些发现现已发表在科学杂志《 PNAS》上。

垂直于电流的电压

当电流流过金属条时，电子从一侧移动到另一侧。如果在该条旁边放置磁铁，则作用在电子上的力即所谓的洛伦兹力。电子通过金属带的路径不再是笔直的，而是弯曲了一点。因此，现在金属条的一侧比另一侧的电子更多，这会产生一个电压-垂直于电流流动的方向。众所周知，这是经典的霍尔效应。

“测量霍尔效应的强度是我们表征实验室材料的方法之一，”维也纳大学固体物理研究所的SilkeBühler-Paschen教授说。“您可以从这样的实验中学到很多关于固态电子的行为。”在Bühler-Paschen研究小组从事论文工作的Sami Dzsaber检查Ce3Bi4Pd3材料时，他非常认真地对待他的任务，并在没有磁场的情况下进行了测量。“实际上，这是一个不寻常的想法，但在这种情况下，这是决定性的一步，” SilkeBühler-Paschen说。

Sami Dzsaber和SilkeBühler-Paschen。

测量表明，即使没有外部磁场，这种材料也表现出霍尔效应-不仅是正常的霍尔效应，而且是巨大的霍尔效应。在普通材料中，只有使用巨大的电磁线圈才能产生这种强度的霍尔效应。“因此，我们不得不回答另一个问题，” SilkeBühlerPaschen说。“如果霍尔效应在没有外部磁场的情况下发生，那么我们是否应该处理在材料内部以微观尺度出现但在外部无法感觉到的极强的局部磁场呢？”

因此，在瑞士的Paul Scherrer研究所进行了调查：借助介子-特别适合研究磁性现象的基本粒子-对材料进行了更仔细的检查。但是事实证明，即使在微观尺度上也无法检测到磁场。“如果没有磁场，那么也就不会有洛伦兹力作用在材料中的电子上，但是仍然可以测量霍尔效应。这真是太了不起了，” SilkeBühler-Paschen说。

对称才是最重要的

对于这种奇怪现象的解释在于电子的复杂相互作用。“这种材料的原子是根据非常特定的对称性排列的，这些对称性决定了所谓的色散关系，即电子能量与其动量之间的关系。色散关系告诉我们电子在具有一定能量时可以移动多快。”Bühler-Paschen说。“同样重要的是要注意，您不能在这里单独看到电子-它们之间存在很强的量子力学相互作用。”

这种复杂的相互作用导致现象在数学上看起来像是材料中存在磁性单极子，即孤立的北极和南极，自然界中不存在这种形式。“但是实际上，它对电子的移动具有非常强的磁场作用，”布勒-帕申说。

从理论上已经可以从较简单的材料中预测到这种效果，但是没有人能够证明这一点。突破来自对新型材料的研究：“我们的化学成分为Ce3Bi4Pd3的材料的特征在于电子之间的相互作用特别强，”Bühler-Paschen解释说。“这被称为近藤效应。它使这些虚拟的磁单极具有正确的能量，从而非常强烈地影响材料中的传导电子。这就是为什么这种影响比理论上预期的大一千倍的原因。”

新的巨大的自发霍尔效应为下一代量子技术提供了一定的潜力。例如，在该领域中，不可逆的元件非常重要，它们在没有外部磁场的情况下完全产生与方向有关的散射；他们可以通过这种效果实现。“材料的极非线性特性也引起了人们的极大兴趣，” SilkeBühler-Paschen说。“固体中复杂的多颗粒现象会带来意想不到的应用可能性，这一事实使这一研究领域特别令人兴奋。”

参考：Sami Dzsaber，Xinlin Yan，Mathieu Taupin，Gaku Eguchi，Andrey Prokofiev，Toni Shiroka，Peter Blaha，Oleg Rubel，Sarah E. Grefe，Hsin-Hua Lai，Qimiao Si和Silke Paschen，2021年2月19日，美国国家科学院院刊。DOI：
10.1073 / pnas.2013386118