2024年1月12日，Nano Lett.在线发表了济南大学张婷博士和山东大学马衍东教授
课题组的研究论文，题目为《
Layer-Polarized Anomalous Hall Effects from Inversion-Symmetric Single-Layer Lattices
》。
霍尔效应源于电子与磁场物理的相互作用，揭示了晶体固体中电子输运的复杂性。这种相互作用的起源在于Berry曲率与多个电子自由度的耦合，包括自旋、谷
和其他
。在时间反演（T）或空间反演（P）对称性破坏的体系中，非零Berry曲率可能导致垂直于所施加电场方向的反常速度，从而固有地导致霍尔效应。
量子反常霍尔效应
（QAHE）和
谷霍尔效应
（VHE）是这种内在机制的典型例子；即，QAHE建立了将Berry曲率与T对称性
破缺
相关的自旋自由度
联系起来
，而VHE将Berry
曲率
与P对称性
破缺
影响的谷自由度
联系起来
。
除了自旋和谷，层状材料中的电子表现出一种独特的自由度，
即层自由度
这种自由度划分了实际空间。电子中独特的层自由度激发了一种独特的霍尔效应，称为
层霍尔效应
（LHE）。由于层自由度和Berry曲率之间的相互作用，不同层中的电子经历相反的偏转。在P对称性
破缺
的情况下，出现了
层极化反常霍尔效应
（LP-AHE），
其特征是
电子只在给定的层中偏转
。
在此研究中，作者提出了一个通用的设计原则以实现反演对称单层晶格的LP-AHE。通过紧束缚模型分析，研究证明了通过
反铁磁范德华双层晶格的堆垛可以实现PT对称性和垂直外偏压之间的耦合物理
。这种耦合揭示了先前中和的层锁定Berry曲率，迫使载流子在给定层内沿特定方向移动，从而实现LP-AHE。有趣的是，
LP-AHE的手性可以通过调节垂直
外偏压
的方向来有效地转换
。在
双层
T-FeCl
2
和
MnPSe
3
中的
第一性
原理计算
验证了这一机制。这项研究结果为LP-AHE的新探索铺平了道路。
图1
基于反演对称单层晶格的LP-AHE实现原理图
图2
电场E
+z
和E
–z
下紧
束缚模型的K和K’谷周围的能带结构
图3
电场
E
+z
和E
–z
下双层
T-FeCl
2
的能带结构、Berry曲率和LP-AHE图
图4
电场
E
+z
和E
–z
下双层
MnPS
e
3
的能带结构、Berry曲率和LP-AHE图
Zhang, T., Xu, X., Guo, J. et al.
Layer-Polarized Anomalous Hall Effects from Inversion-Symmetric Single-Layer Lattices
.
Nano Lett
.
,
2024
. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04597
【其他相关文献】
[1] Gao, A., Liu, YF., Hu, C. et al. Layer Hall effect in a 2D topological axion antiferromagnet.
Nature
,
2021
, 595, 521–525. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03679-w
[2]
Feng, Y., Dai, Y., Huang, B. et al. Layer Hall Effect in Multiferroic Two-Dimensional Materials.
Nano Lett
.,
2023
, 23, 5367–5372. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01651
[3]
Zhang, T., Xu, X., Huang, B. et al. Layer-Polarized Anomalous Hall Effects in Valleytronic Van der Waals Bilayers.
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.,
2023
, 10, 483–490
. https://doi.org/10.1039/D2MH00906D
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Peng, R., Zhang, T., He, Z. et al. Intrinsic Layer-Polarized Anomalous Hall Effect in Bilayer MnBi
2
Te
4
.
Phys. Rev. B
,
2023
, 107, 085411
. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.085411
(纯计算)江苏师范大学齐景山/陈晓芳团队Phys. Rev. B: 二维多铁半导体双层中的自旋-谷-层极化反常霍尔效应
(纯计算)山东大学马衍东/戴瑛团队Nano Lett.: 多铁磁性二维材料中的层霍尔效应
(纯计算)山东大学马衍东/戴瑛团队Phys. Rev. B: 双层MnBi2Te4中的层极化反常霍尔效应
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