反常霍尔效应
pt au 铁磁 反常霍尔效应
pt au 铁磁反常霍尔效应
反常霍尔效应是一种在非磁金属或半导体材料中观察到的电学现象，它是由电场驱动的电子（或空穴）在与电流方向垂直的磁场下，受Lorentz力的作用发生偏转，从而在垂直于电场和磁场组成的平面的方向产生电势差。
近期，北京理工大学物理学院姚裕贵教授团队在PT对称（空间-时间反演联合对称）的反铁磁体系中提出了面内磁场诱导的反常霍尔效应（IPAHE）。
该项研究成果严格论证了在PT对称反铁磁体系中实现IPAHE的最低对称性要求，详细列出了所有满足条件的磁点群，提供了有效地搜索和设计具有IPAHE的反铁磁材料的方法，将促进它们在低功耗自旋电子学上的应用。
此外，实验发现铂/锰酸锶镧异质结中存在由铂贡献的反常霍尔效应，这是由磁近邻效应诱导铂表现出铁磁性造成的。
反常霍尔效应和量子反常霍尔效应
反常霍尔效应和量子反常霍尔效应
反常霍尔效应(RHE)和量子反常霍尔效应(QAHE)都是在高磁场下的一种物理效应。
反常霍尔效应是指在准经典极限下，电子在晶格中运动受到静电势阱的限制，使得电子的运动方向与外加磁场方向不一致，导致电子漂移方向和磁场垂直产生一定的电压差，这种效应就是反常霍尔效应。
量子反常霍尔效应是指在极强的磁场下，电子的自旋与其运动方向耦合形成量子霍尔态，在这种状态下电子的漂移方向是固定的，可以产生跨越样品宽度的零电阻态。
因为这种效应是在量子体系中产生的，因此被称为量子反常霍尔效应。
反常霍尔效应首次由爱德华·霍尔于1879年观测到，并被广泛应用于磁电传感器、电阻计和磁性储存器等领域。
然而，反常霍尔效应只有在极强的磁场下才能发生，因此限制了其实际应用。
直到20世纪80年代，科学家才在石墨烯等材料中发现了量子反常霍尔效应的存在。
这给予了科学家在低温、弱磁场下实现零电阻、高精度磁电传感器等化学实现的可能性。
研究人员利用这一效应成功实现了超导材料的高精度磁浮，为科学家开辟了新的研究方向。
未来，随着现代材料科学的不断发展，我们有理由相信，反常霍尔效应和量子反常霍尔效应在磁电领域的应用将会更加广泛和深入。
量子反常霍尔效应的作用
量子反常霍尔效应的作用量子反常霍尔效应，听起来像是个科学怪人的发明，其实就是个超级酷的物理现象。
你可能在想，量子、霍尔，这些词儿离我们远得像外星人。
别担心，咱们今天就来聊聊这玩意儿到底有啥用，轻松愉快，像喝杯奶茶一样。
量子反常霍尔效应是个很奇妙的现象，想象一下，在一些特定条件下，电流会沿着材料的边缘流动，而不是在里面绕来绕去。
就像一条小鱼在河边游泳，水流的中心却没人待。
这个现象可真是让科学家们拍案叫绝，毕竟它在量子世界里的表现可谓是“别出心裁”。
它不需要外部磁场的加持，这可是相当罕见的哦！量子反常霍尔效应到底有什么用呢？咱们先从量子计算说起。
量子计算机就像个超级大脑，能处理超多信息，速度飞快。
这个反常霍尔效应在量子计算中能帮助我们设计更稳定的量子比特。
就像给你的手机装上个高性能的处理器，速度那叫一个飞快。
想象一下，未来的手机能把你的一天安排得妥妥的，嘿嘿，是不是有点小期待呢？再说说传感器。
量子反常霍尔效应让传感器的精度大大提升。
想想你的智能手表，心率监测、步数计算，样样都能做到。
现在，借助这个效应，传感器能更精准地探测微小变化，像鹰眼一样盯着一切。
这不光是个科技玩意儿，更是可以拯救很多生命。
比如，早期发现某些疾病，简直就是“提前知道”了，真是太赞了！量子反常霍尔效应在电子器件中也大显身手。
以后的电子产品会更加节能，工作效率也能提高，简直就是环保小卫士。
现在咱们都在提倡绿色生活，这个效应正好顺应了时代的潮流。
想想那种可持续发展的未来，太阳能电池、风能发电，都是要靠这些新技术的加持。
咱们还得提一下量子材料的研究。
通过量子反常霍尔效应，科学家们能够更好地理解材料的特性。
这就像是开了个新玩意儿，发现了更好用的材料，简直就是科学界的“变形金刚”。
新材料的应用，从电池到航天器，无所不包。
这对我们的未来，简直是如虎添翼啊！量子反常霍尔效应也带来了不少挑战。
比如，如何在实际应用中保持稳定性，如何让技术普及，这些问题可得好好琢磨。
量子反常霍尔效应的应用前景
量子反常霍尔效应的应用前景量子反常霍尔效应，听起来好像很高大上，其实它就是一种神奇的物理现象。
简单来说，就是当电流通过一种叫做霍尔材料的半导体时，如果磁场的方向与电流方向垂直，就会产生一种特殊的电场，这种电场的强度与磁场的变化率成正比。
这个现象听起来好像很复杂，但是它有很多应用前景，让我们一起来了解一下吧！我们来看看量子反常霍尔效应在电子学中的应用。
在手机、电脑等电子产品中，有很多地方都需要用到半导体材料。
而量子反常霍尔效应就可以让这些半导体材料变得更加智能。
比如说，我们可以利用这种效应来制造一种叫做霍尔传感器的东西。
这种传感器可以用来检测磁场的变化，从而实现很多功能，比如说测量电机转速、检测金属物体等等。
而且，这种传感器还可以用在智能手机上，用来检测手机的方向、位置等等。
所以啊，量子反常霍尔效应真是一个非常厉害的东西！接下来，我们再来看看量子反常霍尔效应在医学中的应用。
现在的医学技术越来越高超了，但是还有很多疾病是无法治愈的。
而量子反常霍尔效应就可以帮助我们解决这个问题。
比如说，我们可以利用这种效应来制造一种叫做纳米粒子的药物输送系统。
这种系统可以把药物送到人体内特定的部位，从而实现精准治疗。
而且，这种系统还可以根据人体内的环境变化来调整药物的释放量，从而提高治疗效果。
所以啊，量子反常霍尔效应真是一个非常神奇的东西！我们再来看看量子反常霍尔效应在未来的应用前景。
现在科技发展得很快，很多东西都还在不断地被发明出来。
而量子反常霍尔效应就是一个非常好的例子。
虽然它已经被发现了很多年了，但是它的应用前景还非常广阔。
比如说，我们可以利用这种效应来制造一种叫做量子计算机的东西。
这种计算机可以处理非常复杂的问题，从而实现很多以前不可能完成的任务。
而且，这种计算机还可以利用量子纠缠等技术来实现超高速通信和计算。
所以啊，量子反常霍尔效应真是一个非常有前途的东西！总之呢，量子反常霍尔效应是一个非常神奇的物理现象。
反常霍尔效应原理
反常霍尔效应原理
反常霍尔效应是一种在材料中存在的特殊霍尔效应，与经典霍尔效应有所不同。
经典霍尔效应是指在一个导电材料中，当施加电场使电流流动时，垂直于电流和电场方向的方向上会产生横向电压差，这就是霍尔效应。
而反常霍尔效应是指在某些特殊材料中，当施加电场时，除了横向电压差外，还会出现沿电流方向产生的纵向电压差。
反常霍尔效应的原理可以用来解释一些材料的电输运特性。
在某些特殊的材料中，电子的自旋和运动方向会产生有一定关联。
当施加电场时，由于自旋和运动方向的关联性，电子的自旋会产生额外的作用力，进而影响电子的运动轨迹。
这种额外的作用力会导致沿电流方向产生纵向电压差。
根据反常霍尔效应的定义，反常霍尔系数与材料的电导率和磁性有关。
反常霍尔效应的发现为材料科学和电子学领域提供了新的研究方向。
通过研究反常霍尔效应，可以深入了解材料的电子结构和运动机制，并为新型电子器件的设计和制备提供理论基础。
此外，反常霍尔效应在一些磁性材料中的应用已经取得了一定的成功，如磁存储器件和磁传感器等。
总之，反常霍尔效应是一种特殊的霍尔效应，与经典霍尔效应有所不同。
它的发现为材料科学和电子学领域提供了新的研究方向，也为新型电子器件的设计和制备提供了理论基础。
反常霍尔效应实验报告
一、实验目的1. 了解反常霍尔效应的基本原理和现象；2. 学习反常霍尔效应的测量方法和实验技巧；3. 掌握反常霍尔效应在实际应用中的意义。
二、实验原理反常霍尔效应是一种特殊的磁电效应，当电流垂直于磁场通过薄层材料时，会产生一个与电流和磁场方向都垂直的横向电压。
这种现象是由运动电子在磁场中受到的洛伦兹力引起的，与普通霍尔效应相比，反常霍尔效应具有以下特点：1. 反常霍尔效应的横向电压与电流和磁场成正比，而普通霍尔效应的横向电压与电流和磁场的平方成正比；2. 反常霍尔效应的横向电压与材料的电阻率无关，而普通霍尔效应的横向电压与材料的电阻率成正比；3. 反常霍尔效应的横向电压与材料的导电类型无关，而普通霍尔效应的横向电压与材料的导电类型有关。
三、实验仪器与设备1. 反常霍尔效应实验仪；2. 数字多用表；3. 磁场发生器；4. 电源；5. 连接线。
四、实验步骤1. 连接实验仪，将反常霍尔效应元件放置在实验仪的磁场中；2. 调节电源，使电流通过反常霍尔效应元件；3. 调节磁场发生器，改变磁场强度；4. 使用数字多用表测量横向电压，记录数据；5. 改变电流方向，重复步骤3和4，记录数据；6. 改变磁场方向，重复步骤3和4，记录数据；7. 分析实验数据，绘制电压-磁场、电压-电流关系曲线。
五、实验结果与分析1. 实验结果根据实验数据，绘制了电压-磁场、电压-电流关系曲线。
曲线显示，反常霍尔效应的横向电压与电流和磁场成正比，符合实验原理。
2. 分析（1）通过改变电流方向，实验结果依然成立，说明反常霍尔效应的横向电压与电流方向无关。
（2）通过改变磁场方向，实验结果依然成立，说明反常霍尔效应的横向电压与磁场方向无关。
（3）实验结果与理论分析一致，验证了反常霍尔效应的基本原理。
六、实验结论1. 反常霍尔效应是磁电效应的一种特殊形式，具有独特的性质；2. 通过实验验证了反常霍尔效应的基本原理，掌握了反常霍尔效应的测量方法和实验技巧；3. 反常霍尔效应在实际应用中具有重要意义，如磁场测量、传感器等领域。
反常量子霍尔效应诺贝尔奖
反常量子霍尔效应诺贝尔奖反常量子霍尔效应是指在半导体材料中观察到的量子霍尔效应的一种特殊形式。
这一现象于1985年被德国物理学家冯·克卢赫和美国物理学家罗伯特·拉夫里达斯首次发现，并因其重要性而在2016年被授予诺贝尔物理学奖。
量子霍尔效应是指电子在强磁场作用下沿着材料表面产生的电场，从而使电子在材料中沿特定的方向运动，出现电流。
这一效应在20世纪80年代被发现，极大地推动了半导体物理学的发展。
但在一般情况下，电子在霍尔效应中的行为是受到磁场和电子间相互作用的影响的。
反常量子霍尔效应则是一种例外，其中电子运动的方式不受这种相互作用的影响，而是与电子自旋之间的相互作用相关。
反常量子霍尔效应的理论基础是拓扑物态理论，它描述了一类特殊的物态——拓扑绝缘体。
在拓扑绝缘体中，电子的行为受到量子力学的拓扑性质的支配，而不是受到电子间相互作用的影响。
这一新颖的物态在理论上得到了广泛的研究，并在实验上得到了验证。
冯·克卢赫和拉夫里达斯在研究半导体中的拓扑物态时，意外地发现了反常量子霍尔效应。
他们通过将薄层的汞铋碲化物置于磁场中，并且控制磁场的方向和强度，成功地观察到了反常量子霍尔效应产生的电势差。
这一观测结果确认了拓扑绝缘体在实验上的存在，并表明了其在量子计算和能源传输方面的潜在用途。
反常量子霍尔效应的发现具有重要的科学意义和应用价值。
首先，它证实了拓扑绝缘体的存在，并为拓扑物态的研究提供了一个有力的实验平台。
其次，反常量子霍尔效应具有低能耗和高速传输的特点，因此具有广泛的应用前景。
例如，在量子计算领域，反常量子霍尔效应提供了一种新的信息传输方式，可以实现更加高效的量子比特传输。
此外，反常量子霍尔效应也可以应用于新型的能源器件和电子器件的设计。
为了更好地理解和利用反常量子霍尔效应，科学家们进行了大量的实验和理论研究。
他们进一步深入探索了拓扑物态的性质，发展了更加完善的理论模型，同时也在实验上不断地寻找新的拓扑绝缘体材料。
反常霍尔效应原理
反常霍尔效应原理
反常霍尔效应是指当一个金属条被转动时，其中一端可以产生电场，而另一端则不会。
即
用霍尔现象表述，即某些金属层受到恒定的外力，其中一层具有正电，而另一层则具有负电，那么就会产生电场，这就是反常霍尔效应。
反常霍尔效应有很多应用，如在传感器领域中，通过转动被测金属条可以检测周围环境参
数的变化，如温度、湿度、压力等，而且它可以抵抗腐蚀、抗震等特点，在磁体摆脱、抗
震系统等方面都有很好的应用。
反常霍尔效应的产生是由于金属表面上穿转现象引起的。
穿转通常发生在外加力的作用下。
力的作用使得金属层的电子的能带的能级发生了变化，从而使得特定的层有正电，另一层则有负电，从而产生电场，这就是反常霍尔效应。
除此之外，反常霍尔效应还有一个独特的特性，就是“自发产生的”，它不需要外部的电源
供电，只需要把金属条转动，就可以产生电场。
这也是反常霍尔现象在传感器中所具有的
重要优势之一。
总之，反常霍尔效应是一种很有用的物理现象，它对于传感器工程、磁体摆脱系统、抗震系统等都有广泛的应用。
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2.3Berger的side jump机制
2.4贝里相位在AHE中的体现
三、AHE实验的研究和进展
3.1pxy∽p
2 xx
3.2pxy∽p xx
3.3一次方项和二次方项的混合
3.4指数在变化
四、近期在ε-Fe3N纳米晶体薄膜中发现较强的常规霍尔效应（2009年《物理 评论》的一篇文章）
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1.1常规霍尔效应(ordinary Hall effect)
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1.3反常霍尔效应的特征
（1）通常Rs大于R0至少一个量级以上 （2）强烈地依赖于温度 （3）在铁磁性金属中,即使没有外加磁场B,仅有
x方向的电场E时,也会出现横向霍尔电压VH
现在看来，AHE是一种对称破缺的现象， 这一点上铁磁材料和非磁材料有很大区别:铁 磁材料在没有外加磁场时就有自发时间反演不 对称。所以其机理上不一样是正常的，完全一 样倒是有些奇怪。
1879年，Edwin Hall本人发现了霍尔效应，即处在磁场 中的非磁性金属或半导体薄片中的载流子受到洛伦兹力的 影响偏向一边，导致一个可测量的霍尔电压。
横向霍尔电阻率ρxy（依赖于外加磁场的大小）： ρxy=R0B（R0称为常规霍尔系数） (1)
*这一领域的发展和研究相对完善，我们重点关注反常霍尔效应
室温下的实验值相差不多，对Ni的偏差稍大。
2006年， shigeki Onoda等人从Berry phase出发同时考虑本 征机制和 skew scattering，得出了大范围内，随电导率变化反
常霍尔电导率的变化趋势。后经实验观察大量材料中的AHE 符合这一趋势。
2008年N.A.sinitsyn[18]从考虑 Berry phase的波包动力学出发 ，把得到的新现象跟半经典理论结合起来，同时得到了来自
正常霍尔效应ρxy=R0B
图1 霍尔电阻率ρxy与磁场大小的关系曲线示意图
图1给出了横向霍尔电阻率ρxy与磁场大小B的关系曲线。 ρxy先随B迅速线性增加,经过一个拐点后线性缓慢增加,直至 饱和.显然,这不能简单用磁场的洛伦兹力来解释.因而,通常人 们称这种现象为反常霍尔效应(anomalous Hall effect).
பைடு நூலகம்
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二、 反常霍尔效应的理论研究
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2.1 Karplus和Luttinger本征机制
1954年, Karplus和Luttinger从理论上详细研究了自旋-轨道耦 合作用对自旋极化巡游电子的输运影响,第一次提出了反常霍
尔效应的内禀机制.
他们完全忽略杂质、声子等散射,把外加电场作为微扰动展 开,推导出在包含自旋-轨道耦合相互作用的理想晶体能带中运 动的载流子,存在一个正比于贝里曲率的反常速度.正是由于这 个反常速度的存在,在外加电场下,同时考虑到上自旋与下自旋 的电子占据数不相等,导致电子将会有个净的横向电流,产生反 常霍尔效应。
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2.2 Smit的skew scattering理论
Smit批驳了Karplus和Luttinger的观点,认为在真实的材料中 总是存在缺陷或者杂质, 提出了螺旋散射(skew scattering)机制, 认为对于固定自旋方向的电子,由于自旋-轨道耦合相互作用,电 子受到杂质的散射是不对称的,结果定向运动的电子偏离原来 的方向,形成横向的电荷积累,它的直观物理图像如图2所示.螺 旋散射主要由被散射的载流子偏离原来路径方向的角度θH(也 称为自发霍尔角)来表征:θH=ρxy/ρ.
后来，人们认为Side jump机制可以被间接的看做KLanomalous velocity的特殊表现，其中的外加电场换成了杂质势引起的电场。
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根据边跳机制可以得到霍尔电阻率ρxy与ρ成 二次方关系,即
ρxy∝ρ2 这似乎可以成功地解释在铁、镍和铁镍合 金中实验观察到的ρxy与总电阻平方ρ2成线性 关系的现象.边跳机制模型与具体散射势的形 式无关
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2.4贝里相位在AHE中的体现
2004年，Yugui yao（中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家 实验室）等人将 Berry Phase的AHE理论跟第一性原理结合起来 ，对布里渊区里的 Berry curvature积分，历史上首次从理论得
出了本征机制造成的AHE的大小，对Fe和Co，这一数值都与
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1.4反常霍尔效应的应用
常规霍尔效应有着广泛的应用,如确定半导体的导电类型,测 定载流子浓度和迁移率,以及制造霍尔传感器等等。
而反常霍尔效应则是探究和表征铁磁材料中巡游电子输运 特性的重要手段和工具之一.它的测量技术被广泛应用于许多 领域,最重要的应用是在新兴的自旋电子学方面.例如,在III-V族 半导体中掺入磁性锰原子,从而实现材料铁磁性与半导体性的 人工联姻,促进了稀磁半导体(DMS)材料的诞生。
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图2 根据螺旋散射可以得到霍尔电阻率ρxy与ρ成正比,即ρxy∝ρ, 而且
霍尔电阻率ρxy还依赖于散射势的类型和作用距离.
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2.3 Berger的side jump机制
1972年，Berger提出了另一个非本征的机制，同样是由于散射 中自旋轨道耦合的影响，特定自旋的载流子在经历与杂质散 射后其质心位置向某个特定的方向偏移了一点 (side jump)。其 示意图如下:
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反常霍尔效应
Anomalous Hall effect
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一、反常霍尔效应（AHE）
1.1常规霍尔效应
1.2反常霍尔效应(AHE)
1.3AHE的特征
1.4 AHE的应用
二、反常霍尔效应的理论研究
2.1 Karplus和Luttinger本征机制
2.2 Smit的skew scattering理论
本征和非本征机制的微观表达式。
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反常霍尔效应机制的研究还有待于取得进一步突 破,完善的理论(特别是结合第一性原理计算的理论)的 建立在目前还是一个具有挑战性的任务.
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1.2反常霍尔效应
在铁磁性(FM)的金属材料样品里,横向电阻率ρxy的大小除 了包括(1)式中的常规项外,还另外增加了与样品的磁化强度M 大小有关的反常项,当样品达到饱和磁化强度Ms时,它就变成了 常数.
根据经验, ρxy=R0B +4πRsM, (2) 其中Rs称为反常霍尔系数。
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