东京理工大学的材料科学家已经证明，在没有大规模磁序的情况下，新型磁性半导体中也存在大规模的、非常规的异常霍尔电阻，这验证了最近的理论预测。他们的发现为反常霍尔效应提供了新的见解，这是一种与长程磁序相关的量子现象。

在电场和磁场的影响下移动时，带电粒子(如电子)可以以相互作用的方式表现。例如，当磁场以垂直于载流导体平面的方式施加时，在其中流动的电子由于磁力影响而开始侧向偏离，很快导体的两端就会出现电压差。这种现象被称为霍尔效应。然而，霍尔效应并不一定需要摆弄磁铁。事实上，它可以在具有长程磁序的磁性材料(如铁磁体)中自由的观察到。

这种现象被称为“反常霍尔效应”(AHE)，听起来似乎是霍尔效应的近亲。然而，它的机制更复杂。目前，最被接受的解释是，反常霍尔效应是由电子能带的一种被称为“贝里曲率”的特性产生的，这是电子自旋与其在材料内部的运动形成的相互作用而产生的结果，这种相互作用通常被称为自旋轨道相互作用。

反常霍尔效应是否需要磁性排序呢？最近的一项理论表明并非如此。东京工业大学的Masaki Uchida副教授解释说：“已经有理论提出，即使在磁序消失的温度以上，大规模的反常霍尔效应也是可能的，特别是在具有低电荷载流子密度、电子间强交换相互作用和有限自旋手性的磁性半导体中，它与自旋方向与动力方向有关。”

出于好奇心，Uchida博士和他来自日本的合作者决定测试这个理论。在《科学进步》杂志上发表的一项新研究中，他们研究了一种新磁性半导体的磁性，这种被称为EuAs的半导体只有一种特殊的扭曲三角形晶格结构，他们在低于23K的温度下观察到了反铁磁(AFM)行为(即相邻电子的自旋方向相反)。此外，他们还观察到，在存在外部磁场的情况下，材料的电阻会随温度急剧下降，这种行为被科学家称为巨磁阻(CMR)效应。然而更有趣的是，甚至在23K以上的温度也观察到了巨磁阻效应，此时的反铁磁的磁序消失了。

Uchida评论道：“很自然地，在EuAs材料中观察到的巨磁阻现象是由稀释的载流子和局部Eu2+自旋间的耦合引起的，这些自旋会在很宽的温度范围内持续存在。”

然而，真正抢尽风头的是霍尔电阻率随温度升高，并在70K时达到峰值，这远高于反铁磁的磁序温度，这表明大规模的反常霍尔效应在没有磁序的情况下确实是可能的。为了了解导致产生这种非常规大规模的反常霍尔效应的原因，该团队进行了模型计算，结果表明这种效应可以归因于三角晶格上的自旋簇在“跳跃区域”中对电子的斜散射，其中的电子不会流动，而是从一个原子“跳跃”到另一个原子上。

这些结果使我们更接近理解磁性固体内电子的奇怪行为。乐观的Uchida博士评论道：“我们的研究结果有助于阐明三角晶格磁性半导体，并可能导致一个新的研究领域，它针对于与非常规自旋顺序和波动相结合的稀释载流子。”

事实上，在无限迷人的电子量子世界中，新的发现可能会即将出现。（编译:Qtech）