反常霍爾效應(yīng)是最基本的電子輸運(yùn)性質(zhì)之一。雖然反常霍爾效應(yīng)早在1881年就被Edwin Hall發(fā)現(xiàn)，但其微觀機(jī)制的建立卻經(jīng)歷了一百余年的漫長歷程。本世紀(jì)初，牛謙等人的理論工作揭示了反常霍爾效應(yīng)的內(nèi)稟機(jī)制與材料能帶結(jié)構(gòu)的貝里曲率有關(guān)，并得到了廣泛的實驗支持，反常霍爾效應(yīng)也因此成為當(dāng)今凝聚態(tài)物理研究的一個重要手段。在近年來受到廣泛關(guān)注的固態(tài)拓?fù)潴w系研究中，反常霍爾效應(yīng)也是被研究的焦點(diǎn)之一。

　　然而，迄今為止所有的實驗結(jié)果都基本使用單粒子圖像下的輸運(yùn)理論進(jìn)行解釋。在理論上，僅有個別小組研究過電子和電子之間的多體相互作用是否會影響反常霍爾電導(dǎo)。二十多年前，Wolfle等人通過理論計算指出，對于斜散射和邊跳這兩個非內(nèi)稟機(jī)制，電子-電子相互作用不會對反常霍爾電導(dǎo)產(chǎn)生任何量子修正，這與電子-電子相互作用能在低溫下顯著地改變縱向電導(dǎo)率和電阻率截然不同。至于內(nèi)稟機(jī)制下電子-電子相互作用能否改變反常霍爾電導(dǎo)，理論上還沒有定論。

　　最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實驗室李永慶課題組（N08組）博士生楊帥和林朝鏡（現(xiàn)為日本東京工業(yè)大學(xué)博士后），與極端條件重點(diǎn)實驗室EX10組研究員石友國和博士生伊長江，以及北京大學(xué)物理學(xué)院博士后李治林等合作，在鐵磁半導(dǎo)體HgCr₂Se₄中發(fā)現(xiàn)反常霍爾電阻和反常霍爾電導(dǎo)在超過兩個數(shù)量級的溫度范圍內(nèi)(0.02 - 2 K)對溫度的平方根(\(\sqrt{T}\))具有明顯的線性依賴關(guān)系，而且不能用現(xiàn)有的理論解釋。研究團(tuán)隊還觀察到HgCr₂Se₄樣品的縱向電阻率和正常霍爾電阻率也呈現(xiàn)出\(\sqrt{T}\)的溫度依賴關(guān)系，但此二者可用Altshuler等人發(fā)展的電子-電子作用理論進(jìn)行定量的描述。這些特征以及在高達(dá)15 T磁場中的進(jìn)一步電子輸運(yùn)測量表明，極低溫下在HgCr₂Se₄中觀察到的巨大反常霍爾電導(dǎo)修正不太可能來源于弱局域化效應(yīng)，電子-電子相互作用的貢獻(xiàn)值得在理論上進(jìn)行深入考慮。

　　上述實驗結(jié)果的獲得受益于接近零溫條件下HgCr₂Se₄在載流子濃度低至10¹⁵-10¹⁸cm^-3時仍能保持金屬導(dǎo)電性，反常霍爾效應(yīng)研究因此能被拓展到一個傳統(tǒng)鐵磁金屬或半導(dǎo)體無法達(dá)到的參數(shù)空間。該工作的合作者還有澳大利亞新南威爾士大學(xué)教授Dimitrie Culcer。

　　相關(guān)實驗工作近期發(fā)表于《物理評論快報》（S. Yang, Z. L. Li et al., Physical Review Letters 123, 096601 (2019)）。該工作得到科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、科技部國家基礎(chǔ)研究計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)B類專項和國家博士后科研基金創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃的支持。

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　　圖1. Hg的晶體結(jié)構(gòu)圖(a)及實驗中使用的單晶照片(b, c)

　　圖2. HgCg₂Se₄中反常霍爾效應(yīng)的反常溫度依賴關(guān)系。(a) 低溫下縱向電阻率ρ_xx的溫度依賴關(guān)系；(b)縱向電導(dǎo)率σ_xx對\(\sqrt{T}\)具有線性依賴關(guān)系，其斜率不隨磁場變化；(c) 不同溫度下的反常霍爾電阻率ρ_AH；(d) 縱向電阻率、正常霍爾電阻率和反常霍爾電阻率都呈現(xiàn)\(\sqrt{T}\)型的溫度依賴關(guān)系，但反常霍爾電阻率的相對零溫數(shù)值的變化率超過前二者約兩個數(shù)量級。反常霍爾電導(dǎo)率的相對變化率具有相近的數(shù)值。