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Electric-current control of anomalous Hall effect

本研究展示了在 WTe2/Fe3GeTe2 异质结构中对反常霍尔效应进行的稳健且可逆的电流控制，其中 WTe2 中的电流通过贝里曲率偶极矩诱导产生面外磁化，进而通过反向磁邻近效应调节相邻铁磁体的性质。

原作者： Jianping Guo, Gusthavo M. S. Brizolla, Peng Rao, Jian Shao, X. H. Huang, Thomas N. G. Meier, Tailai Xu, Peirui Ji, Jonathan Finley, Jaroslav Fabian, Johannes Knolle, Christian Back, Lin Chen

发布于 2026-08-28

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CC BY 4.0

原作者： Jianping Guo, Gusthavo M. S. Brizolla, Peng Rao, Jian Shao, X. H. Huang, Thomas N. G. Meier, Tailai Xu, Peirui Ji, Jonathan Finley, Jaroslav Fabian, Johannes Knolle, Christian Back, Lin Chen

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在电子学领域，电流的流动通常是信息的单向通道：电流通过导线移动，这种运动携带信号。但在某些特殊的材料中，电流可以实现更微妙的操作。当电流流经一种磁性金属时，它会产生一个横向电压，这种现象被称为反常霍尔效应。这种效应就像是材料内部磁性的内置指南针；磁性指向向上或向下的强度越大，产生的横向电压就越大。几十年来，科学家一直利用这种效应来测量磁学特性，但他们一直难以实现反向操作：即利用电来主动改变磁性本身。传统的调节磁性的方法需要笨重的设备或复杂的结构，而这些结构难以构建。研究目标一直是寻找一种方法，通过简单的电流来控制这种磁性信号，就像转动收音机的音量旋钮进行调节一样。

一组研究人员现在展示了一种利用两层超薄二维材料堆叠来实现这种控制로的稳健方法。他们将一层名为 $\text{Fe}_3\text{GeTe}_2$ 的磁性金属层放置在名为 $\text{WTe}_2$ 的材料层之上。当他们向 $\text{Wtext{WTe}}_2$ 层通入电流时，电流不仅仅是在流动，它还产生了一个微小的、肉眼不可见的磁场，根据电流的方向指向正上方或正下方。这个感应磁场延伸到了位于其上方的磁性层，并改变了其内部的磁强度。结果是，磁性层产生的横向电压发生了剧烈变化。通过简单地反转电流方向，研究人员可以将磁性信号增加超过 180%，或者将其几乎完全抑制。这种控制水平远超以往的方法，以往的方法通常只能实现 40% 到 100% 的变化。

这种强大效应的秘密在于 $\text{WTe}_2$ 层独特的原子结构。与许多原子排列呈完美对称模式的材料不同，这里使用的 $\text{WTe}_2$ 具有一种特定的低对称性排列。当电流沿着这个特定方向流动时，它会在电子结构中产生一个偶极子，这是一种不平衡，迫使电子产生一个面外磁矩。研究人员发现，当 $\text{WTe}_2$ 层恰好为两个原子层厚度时，这种效应最为强烈。如果该层只有单层厚度，由于对称性过高，效应会消失。如果层数更厚，随着额外层数稀释了表面的独特属性，效应会减弱。这种精确的厚度依赖性证实了该现象是一种界面效应，源于层间特定的相互作用以及两层 $\text{WTe}_2$ 独特的电子行为。

为了证明这是一种真实的磁性控制而非热效应的副作用，团队进行了多项严格的检查。他们证明，如果电流沿着 $\text{WTe}_2$ 中不发生特殊磁性生成的对称轴方向流动，该效应就会消失。他们还测试了一个仅由磁性材料制成的器件（不含 $\text{WTe}_2$ 层），发现没有出现这种调制现象，从而排除了电流仅仅是通过加热磁体并改变其特性的可能性。此外，他们还证明了这种信号的变化是可逆的，只需通过翻转电流方向即可实现来回切换，而无需任何外部磁铁辅助。这种变化的幅度如此之大，以至于该器件表现得像一个晶体管，其中电流充当了控制磁性信号流动的“栅极”。

这一发现为在没有运动部件或复杂布线的情况下操纵静态磁性开辟了一条新路径。由于该方法依赖于电流的流动而非电子在材料之间的转移，它有可能被用于控制磁绝缘体——即那些不导电但仍具有磁序的材料。这种能力对于未来的技术至关重要，例如提高磁存储器的稳定性或创造新型电子开关。研究人员建议，这种方法甚至可以扩展到更奇异的材料，从而有望提高观察到某些量子效应的温度。通过展示简单的电流可以剧烈地重塑材料的磁景观，这项工作为下一代自旋电子器件提供了强大的新工具。

技术摘要：电流控制的反常霍尔效应

问题与动机
反常霍尔效应（AHE）是凝聚态物理中的一个基本现象，指在没有外磁场的情况下，铁磁材料中产生横向电压。AHE 电导率（ $\sigma_{AHE}$ ）与电子能带结构的贝里曲率（Berry curvature, BC）本质相关。虽然 AHE 被广泛用于表征磁性，但其底层的电子能带结构——以及随之而来的 BC 和 $\sigma_{AHE}$ ——在磁性材料制备完成后通常是固定的。现有的 AHE 调节方法，如静电门控或离子门控，往往受限于复杂的器件架构以及门控的充放电能力，导致调制程度有限。因此，需要一种高效、可逆且更简单的电学方法来调节贝里曲率及由此产生的 AHE，特别是在自旋电子学和静态磁性控制应用领域。

实验方法
作者制备了由过渡金属二硫族化合物 $T_d$ -WTe $_2$ 与铁磁金属 Fe $_3$ GeTe $_2$ (FGT) 堆叠而成的二维异质结。研究中使用了 WTe $_2$ 厚度（ $t_{WTe}$ ）可低至单层极限，且 FGT 厚度（ $t_{FGT}$ ）也经过系统调整的堆叠结构。

实验方法是在 WTe $_2$ 层中通过直流电流（ $I$ ），同时施加微小的交流电流（ $I_{ac}$ ）以检测横向电压。研究的核心机制是：当电流沿低对称性的 $a$ 轴流动时，通过贝里曲率偶极子（BCD）在 WTe $_2$ 层中产生面外磁化强度（ $M_z^I$ ）。这种电流诱导的 $M_z^I$ 会作用于相邻的 FGT 层。

研究人员进行了对照实验以分离该效应：

测试纯 FGT 样品，以排除铁磁体内部的固有电流效应。
改变电流相对于 WTe $_2$ 晶轴的方向（对比低对称性的 $a$ 轴与高对称性的 $b$ 轴）。
系统地改变 WTe $_2$ 和 FGT 的厚度，以确定调制的空间起源。
进行基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）计算，以模拟交换分裂与 AHE 电导率之间的关系。

主要贡献与结果
本研究展示了对 WTe $_2$ /FGT 堆叠结构中 AHE 的稳健且可逆的电流控制。主要发现包括：

巨量调制： 通过 WTe $_2$ 层施加电流会诱导相邻 FGT 层中 AHE 电导率的调制。AHE 电导率的相对变化量（ $\Delta\sigma_{AHE}/\sigma_{AHE}(0)$ ）超过了 180%，这一数值显著高于以往方法（例如静电门控约为 40%，或高压约为 100%）。与仅能抑制 AHE 的压力不同，该方法实现了双向控制（增强与抑制）。
通过贝里曲率偶极子（BCD）实现的机制： 调制是由少层 WTe $_2$ $_{2}$ 中的 BCD 驱动的。电流 $I$ $I$ 通过 BCD 产生面外磁化强度 $M_z^I$ $M_{z}^{I}$ 。该 $M_z^I$ $M_{z}^{I}$ 通过有效交换磁场与 FGT 磁化强度（ $M$ $M$ ）耦合，从而调制 FGT 的有效交换分裂（ $E_{ex}$ $E_{e x}$ ）。
- 当 $M_z^I$ 与 $M$ 平行时， $E_{ex}$ 增加，从而增强贝里曲率和 $\sigma_{AHE}$ 。
- 当两者反平行时， $E_{ex}$ 减小，从而降低 $\sigma_{AHE}$ 。
厚度依赖性：
- WTe $_2$ 厚度： 调制在双层 WTe $_2$ 时达到峰值，而在单层或厚膜中可以忽略不计。这与 BCD 的量级一致，由于对称性破缺和层极化狄拉克费米子的存在，BCD 在双层结构中达到最大。
- FGT 厚度： 调制幅度随着 FGT 厚度的增加而减小，证实了该效应的界面起源。
对照实验：
- 在纯 FGT 样品中未观察到调制。
- 当电流沿 WTe $_2$ 的高对称 $b$ 轴施加时，未发生调制，证实了 BCD 生成对对称性的要求。
- 纯 WTe $_2$ 中的电流诱导霍尔信号比堆叠结构中观察到的调制信号至少小 13 倍，排除了 WTe $_2$ 对测量信号的直接贡献。
排除焦耳热效应： 作者证明， $\sigma_{AHE}$ 对电流的奇函数依赖关系不能归因于焦耳热，因为焦勒热会产生偶函数依赖关系，且其变化量级要小得多。

意义与主张
论文声称，这项工作揭示了低维材料系统中的贝里曲率偶极子是自旋电子学应用中一种极其高效的机制。所展示的方法为控制静态磁性提供了一条新途径，特别提出了实现 AHE 晶体管 的构想，即以电荷电流作为栅极，以横向 AHE 信号作为沟道。

此外，作者指出，这种不依赖于电子填充或转移的方法，为控制量子磁绝缘体开辟了新途径。提到的潜在应用包括：

通过调节交换能隙，提高磁性拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应的观测温度。
将拓扑绝缘体驱动进入磁性 Weyl 半金属状态。
调节 Weyl 点之间的间距。

作者指出，虽然提出的双带模型捕捉到了核心物理过程，但机制可能过于简化，仍需进一步的理论研究来充分理解电流产生的转矩和有效交换场。他们还建议，通过能够承受更高电流的改进型器件，或通过探索具有更强 BCD 的材料，可以实现更大的调制幅度。

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