磁性材料的反?;魻栞斶\效應來源于能帶內(nèi)稟貢獻及雜質外稟散射,其重要參量反常霍爾角代表縱向電流密度驅動橫向反?;魻栯娏髅芏鹊哪芰?。大反?;魻柦窃诜闯;魻柎艂鞲小⒆孕娮訉W磁疇翻轉等方面發(fā)揮關鍵作用。過去70年來,反?;魻柦情L期處于0.1~3°(0.2%~5%)的較低水平,且缺乏調(diào)控模型和實驗方案,導致反?;魻栠@一重要物理效應長期不能得到有效應用。
近年來,本征磁性拓撲材料的發(fā)現(xiàn)為研究自旋相關拓撲物態(tài)和物性提供了材料平臺,而其拓撲增強的電輸運性能也為反?;魻柦堑恼{(diào)控帶來了契機。磁性外爾半金屬Co3Sn2S2具有大內(nèi)稟反常霍爾電導率,為實現(xiàn)反常霍爾角的調(diào)控提供了理想載體。
最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學實驗室劉恩克課題組在磁性拓撲材料與物理研究方面取得新進展。他們提出了反?;魻柦堑碾p變量數(shù)學模型,根據(jù)電導率及電阻率的張量轉換,首次將反?;魻柦潜磉_為縱向電阻率與反?;魻栯妼手e的函數(shù)。在金屬區(qū),反常霍爾角隨著二者乘積的增加而增大。對于具有確定內(nèi)稟反?;魻栯妼实捏w系,其反?;魻柦莿t隨著縱向電阻率的增大而呈現(xiàn)一個極大值。根據(jù)反?;魻栯妼实膬?nèi)外稟機制特征,他們提出了基于磁性拓撲體系開展反?;魻柦钦{(diào)控的實驗方案。利用拓撲態(tài)、微量摻雜、溫度、維度等內(nèi)外稟自由度,在Co3Sn2S2體系中進行了實驗設計和驗證,實現(xiàn)了縱向電阻率和反常霍爾電導率的同步大幅提升,獲得了25°(46%)的零場巨反?;魻柦恰M瑫r,他們研制了新型反?;魻杺鞲衅骷@得了低頻23nT/Hz0.5@1Hz的磁場探測能力和7028μΩcm/T的霍爾靈敏度,分別是目前已知反?;魻杺鞲衅鞯?倍和10倍。
該研究為反?;魻柦堑恼{(diào)控提供了一套可行的模型和方案,開啟了磁性材料巨反?;魻柦堑男码A段,實現(xiàn)了拓撲增強高性能磁傳感的原理性驗證。相關成果以“Modulation of the anomalous Hall angle in a magnetic topological semimetal”為題,于2025年4月2日發(fā)表在Nature Electronics雜志上。課題組博士生楊金穎為第一作者,劉恩克研究員為通訊作者。研究中微納器件的NV色心磁測量得到了物理所劉剛欽團隊的支持。物理所沈保根院士、復旦大學吳義政教授、馬普微結構物理所Stuart Parkin教授、馬普固體化物所Claudia Felser教授等對本研究給予了支持和指導。該工作得到了基金委面上、基金委基礎科學中心、科技部重點研發(fā)、中國科學院穩(wěn)定支持青年團隊、中國科學院重大科研儀器研制、中國科學院-馬普所聯(lián)合研究單元等項目的支持。
論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41928-025-01364-8

圖1. a,b反?;魻柦堑碾p變量函數(shù)關系,c巨反?;魻柦牵琩磁性外爾半金屬反常霍爾傳感。