1879 年，美国物理学家埃德温·霍尔发现了一个现象，当给一块材料通上电的时候，再在垂直方向添加一个磁场，电流就会偏向一侧，进而产生一个可以测量的电压。这个效应后来被制作成了传感器，汽车里的轮速传感器、电脑键盘的按键检测以及手机里的指南针都在用它。一百多年以来，物理学家们一致认为霍尔效应只在磁场垂直于材料的时候才会出现。
美国卡内基梅隆大学的一个团队最近在 Nature Materials 上发表论文证明了这个结论的不完整，他们把一种名字叫 TaIrTe₄ 的材料和一种名字叫 CGT 的磁性材料叠在一起，厚度仅有几个原子层，他们发现磁场平行于材料的时候也能产生霍尔响应。这个发现一举改写了一个教科书级别的物理定律，也为打造更简单的磁场传感器打开了可能性。
关于霍尔效应的原理可以这样理解，我们想象有一条河，水从上游往下游流动。假如你在河的两岸之间施加一个横向的力，水流就会偏向一侧，两岸的水位就会出现差异。在霍尔效应里面，电流其实就是水流，磁场其实就是那个横向的力。当磁场把电子推向一侧，材料两侧就会产生一个电压，这个电压的大小和磁场的强度有关，也和材料里电荷的多少有关。
通过测量这个电压，人们能够知道电流是由正电荷还是负电荷携带的，也能知道材料里有多少可以自由移动的电荷，还能够知道这些电荷跑得快不快。如前所述，霍尔效应传感器被用在各种地方，从汽车轮速到电脑键盘、再到医疗成像设备，这些功能都建立在同一个物理原理上。
此次卡内基梅隆的团队做了一个原子级薄的结构，他们先是使用机械剥离法从单晶里撕出几层原子厚的 TaIrTe₄ 薄片，然后把 CGT 薄片叠在上面，使用干法转移技术在显微镜下进行对准，接着用电子束光刻和电子束蒸镀制作电极，这样制备出来的器件，两个材料之间的界面是原子级平整的。
TaIrTe₄ 其实是一种拓扑半金属，其内部电子结构有着特殊的拓扑性质。CGT 则是一种铁磁绝缘体，本身是不导电的，但是能在特定温度之下产生磁性。当两层材料贴在了一起，磁性就会通过界面渗透到 TaIrTe₄ 里面，给它带来磁性但是不改变它原本的电子结构。
这里面的关键在于对称性，TaIrTe₄ 的晶体结构在面内仅有一个镜面对称。当磁场垂直的时候，这个对称性就会被打破，随后霍尔效应出现。研究团队发现，当磁场平行于材料的 b 轴的时候，就算完全在面内，霍尔效应也同样会出现。背后原因在于面内磁场与材料自身结构之间的交互，导致电子在横向发生了偏转。据了解，这也是人们第一次在二维系统中观察到这种由面内磁化驱动的反常霍尔效应。
研究团队在两个不同的器件上重复了实验，在 11K 的低温之下，他们测量了纵向电阻以及霍尔电阻。当磁场垂直的时候，霍尔电阻在大约 50 毫特斯拉处达到了饱和，开始出现明显的磁滞回线。这个信号在大约 61K 的时候消失，刚好处于 CGT 的居里温度，这说明霍尔效应的确来自磁性层，并不是来自材料本身。
更关键一个的实验是把磁场旋转到面内，研究团队在面内旋转磁场方向，从 0 度到 360 度逐点地测量霍尔电阻。当磁场沿 b 轴的时候，霍尔响应达到最大。当磁场沿 a 轴的时候，响应基本为零。这个结果精确地匹配了晶体对称性的预测，原因在于 TaIrTe₄ 在面内只有一个镜面对称方向，磁场沿那个方向的时候对称性会被打破，这时霍尔效应就会出现。而沿另一个方向时对称性会被保存，这时霍尔效应就会消失。
反常霍尔电阻的数值在几十到几百毫欧左右，和传统的垂直霍尔效应处于同一个量级。门电压能够调节这个响应的大小，意味着利用静电调控就能改变器件的性能。上述测量还排除了平面霍尔效应的干扰，平面霍尔效应来自于各向异性磁电阻，在磁场反转的时候符号不变。而研究团队观测到的面内霍尔效应，在磁场反转的时候符号跟着反转，证明这确实是一个真正的霍尔响应。
本次发现最直接的应用是多维磁场传感，现在假设要测量两个垂直方向的磁场，那就需要两个独立的传感器，安装在不同的朝向，接着分别读取数据。假如同一个器件能够同时响应垂直和面内两个方向的磁场，设计方案就可以简化很多。在本次工作中，同一个器件同时地测量到了面外和面内的反常霍尔效应信号，并且两个信号的大小可比，这意味着使用一个传感器就可以实现矢量磁测量。
这一成果的应用场景还包括电子设备里的姿态检测、汽车里的防抱死系统和方向盘角度感应、医疗成像里的磁场分布测量。在这些应用场景里，尺寸和可靠性是一个重要约束，而当一个传感器能做的事情越多，系统的复杂度就会越来越低。
但是，当前的实验是在低温下完成的，11K 左右也就是大约零下 262 摄氏度。这个温度在实验室里用液氦是能够达到的，但是离日常使用还有一定距离。目前，研究团队正在探索在室温下实现同样效果的材料组合。他们在论文里写道，正在测试其他具有相似对称性的、但是工作温度更高的材料，也在尝试改进界面质量，从而能够提升响应强度。
研究团队还构建了一个两带模型来解释观测结果。这个模型指出，界面自旋轨道耦合和交换相互作用，是面内反常霍尔效应的一个关键因素。但是，这个模型只能定性解释趋势，对于某些门电压依赖关系还无法完全拟合。更精确的理论需要探明 TaIrTe₄ 的具体能带结构和拓扑性质，而这需要第一性原理计算和进一步的实验测量。
本次发现的意义不只在于改写教科书，它也把霍尔效应的适用条件拓展了一个维度，为量子材料和自旋电子学开辟了一个全新的控制手段。对于材料科学家而言，当多了一个调控维度，也就多了一扇探索新物理的窗口。
参考资料：
https://www.sciencedaily.com/releases/2026/09/260901010659.htm
https://www.nature.com/articles/s41563-026-02611-9
运营/排版：何晨龙
注：封面/首图由 AI 辅助生成
热门跟贴