美国阿贡实验室发现拓朴材料中的反常霍尔效应行为

阿贡实验室的科学家已经鉴定出一类新的拓扑材料，通过将过渡金属原子插入到众所周知的二维材料的原子格子中而制成。

近年来，科学家们开始对一种新型的物质感到好奇，这种物质表现出一种不同寻常的分裂行为。这些称为拓扑材料的结构，在他们的表面上可以表现出不同的性质，相比较于在这些材料的内部。这种行为已经吸引了对新的物质状态感兴趣的科学家和对潜在的电子自旋及应用感兴趣的技术人员的注意。

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的一项新的研究中，科学家们发现了一类新的拓扑材料，它是通过将过渡金属原子插入二硫化铌（NbS2）的原子晶格中而制成的，NbS2是一种众所周知的二维材料。他们发现，反铁磁材料CoNb3S6表现出非常大的异常霍尔效应，这是材料拓扑特征的标志。

普通霍尔效应发生在所有的电导体中。这种效应本质上是电子在磁场中运动时所经历的力。在每种金属中，电子都会受到垂直于它们的行进方向和垂直于外加磁场方向的推动，从而会产生电压。研究的第一作者乔治·梅森大学的助理教授，阿贡实验室的博士后研究员Nirmal Ghimire 说道。如果材料本身是铁磁体，则附加的贡献叠加在普通霍尔电压上，这被称为反常霍尔效应(AHE)。

在这项研究中，Ghimire和他的同事们观察了CONb3S6材料，发现了一些意想不到的东西：一个中等磁场大的AHE。Ghimire说：“在电子结构具有称为拓扑特征特殊特性的材料中，也可以发现AHE。”晶格中原子的配置在材料中产生对称性，从而产生拓扑带——电子所处的能量区域。正是这些带，在某些结构中，可以导致一个非常大的AHE。

基于计算和测量，Ghimire和他的同事们认为CONb3S6材料包含这些拓扑带。

“拓扑特征是由材料的对称性以及合适的电子浓度组合而成的，以便将这些拓扑特征置于费米能级，费米能级是零温度下可用的最高电子能态。” ，阿贡的材料科学司和该研究的合著者John Mitchell尔指出。

Mitchell说：“到目前为止，只有少数材料显示出在费米能级附近具有必要的特征拓扑点。要想找到更多的东西，需要了解材料物理和化学两方面的知识。”

Mitchell说这一发现可以为材料未来的广泛应用铺平道路。他说：“我们现在有一个设计的规则来制造表征这些特性的材料。CoNb3S6是一大类层状二维材料中的一种，因此这可能为新的拓扑物质大的空间打开大门。”