拓扑物理实验室郭艳峰、王文波与合作者在磁性拓扑材料平面霍尔效应研究方向取得重要进展

近日，上海科技大学物质科学与技术学院拓扑物理实验室郭艳峰教授、王文波教授等研究团队通力合作，在拓扑磁性材料EuAl₂Si₂中取得了重要研究进展，发现其巨大的平面霍尔信号并非如传统拓扑材料中常见的那样源于手性反常或内禀的贝里曲率，而是由多种经典机制共同驱动。这一成果以“Multi‐Origin Driven Giant Planar Hall Effect in Topological Antiferromagnet EuAl₂Si₂ with Tunable Spin Texture”为题在线发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。

图1. EuAl₂Si₂单晶的磁学性质。(a)-(b)磁化率及等温磁化曲线；(c)-(e) 6 K、外磁场垂直 ab 面时0 T、3.8 T、4.7 T 下磁力显微镜图像；(f)-(h) 分别为(c)-(e)对应的自旋结构示意图。

EuAl₂Si₂是一种具有三角晶系结构的层状反铁磁材料，在低于奈尔温度（约33.6 K）时呈现 A 型反铁磁序，其自旋结构为层间反铁磁、面内铁磁且自旋平行于ab面。该材料的独特之处在于其在大约4特斯拉外加磁场下可实现从反铁磁轴子绝缘体到铁磁外尔半金属的拓扑相变，同时其自旋结构（如周期性平行排列的条纹状磁畴的周期）可通过磁场连续调控（图1），为研究自旋织构与电子输运的耦合提供了理想平台。

图2. 示意图揭示了其显著平面霍尔效应的起源。在顺磁态，平面霍尔效应源于被抑制的自旋涨落；而在铁磁相，经典轨道效应占据主导。

研究团队成功提取出本征的平面霍尔电阻与各向异性磁电阻信号，在2 K低温与 8 T强磁场条件下，EuAl₂Si₂的平面霍尔效应幅度可达约3.8 μΩ·cm，并表现出典型的 sinθcosθ 角度依赖关系。深入分析表明，其主导机制随磁有序状态变化而不同：在铁磁态，平面霍尔效应主要来源于经典轨道磁电阻效应，表现为垂直磁场方向电阻率 ρ_⟂与磁感应强度B的二次方成正比；在顺磁区，该效应则主要由磁场对热自旋涨落的抑制所主导。研究中未观察到拓扑手征反常的标志性负磁电阻行为。此外，由于外尔点位于费米能以下约57 meV 处，拓扑态在实验条件下难以被热激发参与输运，因此贝里曲率相关的贡献可以忽略。

为深入甄别平面霍尔效应的物理机制，研究团队绘制了ρ_xy–ρ_xx（ρ_xy为霍尔电阻，ρ_xx 为纵向磁阻）参数轨迹图。在铁磁态下，轨迹图像呈现典型的“冲击波”式非对称扩展特征，这是经典轨道散射的明确证据；而在顺磁态下则表现为圆对称扩展模式，反映了自旋涨落受抑制导致的散射行为。这些结果清晰表明，尽管 EuAl₂Si₂是具有非平庸能带拓扑的外尔半金属，其平面霍尔效应却主要由非拓扑的经典机制所主导。

该研究首次在同一拓扑磁体中系统揭示了平面霍尔效应在不同磁相中的多机制来源，强调了在分析拓扑材料电子输运现象时准确区分拓扑与非拓扑因素的重要性。EuAl₂Si₂材料中自旋织构、磁序与能带拓扑的可调性相结合，为设计和开发新型自旋电子学器件、高灵敏度磁传感器以及拓扑量子元件提供了新的材料平台与物理基础。

本研究工作中，上海科技大学博士研究生刘祥麒、硕士生罗伊轩与来自郑州航空工业管理学院的交流访问硕士生朱子怡为共同第一作者，上海科技大学郭艳峰教授、王文波教授、拓扑物理实验室助理研究员夏威博士和郑州航空工业管理学院陈雷明教授为共同通讯作者。上海科技大学为第一完成单位。

论文标题：Multi-Origin Driven Giant Planar Hall Effect in Topological Antiferromagnet EuAl₂Si₂ with Tunable Spin Texture

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202522699