科技前沿 | 华中科技大学团队破解声子热霍尔效应20年悬案!成果以封面文章登《科学》
10月22日,华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心李亮、朱增伟、李小康团队在国际学术期刊《科学》(Science)以封面文章形式在线发表题为“Thermodynamic origin of the phonon Hall effect in a honeycomb antiferromagnet”的研究论文。
研究团队以蜂窝晶格反铁磁绝缘体NiPS3为对象,通过多样品对比、精密热输运测量和磁性表征,系统考察了声子热霍尔响应的来源:其强弱与声子平均自由程无直接关联,却与面内磁各向异性显著相关;结合横向热导率的温度标度行为及声子—磁振子能带交叉分析,研究排除了杂质、缺陷等外禀散射作为主要来源的可能,将NiPS3中声子热霍尔效应的起源指向材料内禀的热力学性质,为持续近二十年的内禀—外禀之争提供了关键实验判据,也为理解量子自旋液体候选材料中的热霍尔信号提供了新参照。

李亮教授、朱增伟教授、李小康副研究员正在调试热霍尔实验信号
通常所说的霍尔效应是指电流在磁场中发生偏转,从而产生横向电压,这一现象只发生在带电粒子身上。而“声子热霍尔效应”则是指:在绝缘体中,热量以“声子”形式传递,当施加磁场时,热流也会发生横向偏转,产生温差。由于声子不带电,按常理不应受磁场影响,因此这一现象自2005年被首次观测到以来,究竟是材料本身的固有属性,还是杂质缺陷造成的“假象”,一直争论不休。

NiPS3中纵向与横向热导率及面内磁各向异性的样品依赖性
研究团队依托国家脉冲强磁场科学中心,在最高55特斯拉的脉冲强磁场下对多块单晶样品开展精密测量。实验发现,五块“路况”基本一致的样品中,热流偏转程度最大相差近十倍,且偏转大小与声子平均自由程无关,却与材料的磁化特性紧密关联——这说明偏转并非杂质“碰巧”导致,而是材料本身的内禀属性。进一步分析揭示,材料中的磁振子与声子能带存在多处交叉,两者耦合后形成新的杂化模式,使原本电中性的声子获得了对磁场的“感知能力”,从而发生偏转。
该成果拓展了霍尔效应家族的认知边界,促使物理学界重新审视声子与磁场相互作用的理论框架。国家脉冲强磁场科学中心主任李亮表示,量子霍尔效应让人们发现了电子的拓扑量子态,而声子霍尔效应表明声子这类“中性粒子”同样拥有精彩的量子世界。华中科技大学为论文第一完成单位,博士生孟庆凯(已毕业)和李小康副研究员为共同第一作者,李小康、朱增伟、李亮及卡姆兰·贝尼亚为共同通讯作者