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1、反常霍尔效应AnomalousHalleffect一、反常霍尔效应（AHE）1.1常规霍尔效应1.2反常霍尔效应(AHE)1.3AHE的特征1.4AHE的应用二、反常霍尔效应的理论研究2.1Karplus和Luttinger本征机制2.2Smit的skewscattering理论2.3Berger的sidejump机制2.4贝里相位在AHE中的体现三、AHE实验的研究和进展3.1pxy∽pxx23.2pxy∽pxx3.3一次方项和二次方项的混合3.4指数在变化四、近期在ε-Fe3N纳米晶体薄膜中发现较强的常规霍尔效应（2009年《物理评论》的一篇文章）1.1常规霍尔效应
2、(ordinaryHalleffect)1879年，EdwinHall本人发现了霍尔效应，即处在磁场中的非磁性金属或半导体薄片中的载流子受到洛伦兹力的影响偏向一边，导致一个可测量的霍尔电压。横向霍尔电阻率ρxy（依赖于外加磁场的大小）：ρxy=R0B（R0称为常规霍尔系数）(1)*这一领域的发展和研究相对完善，我们重点关注反常霍尔效应1.2反常霍尔效应在铁磁性(FM)的金属材料样品里,横向电阻率ρxy的大小除了包括(1)式中的常规项外,还另外增加了与样品的磁化强度M大小有关的反常项,当样品达到饱和磁化强度Ms时,它就变成了常数.根据经验,ρxy=R0B+4πRsM,(2
3、)其中Rs称为反常霍尔系数。图1霍尔电阻率ρxy与磁场大小的关系曲线示意图图1给出了横向霍尔电阻率ρxy与磁场大小B的关系曲线。ρxy先随B迅速线性增加,经过一个拐点后线性缓慢增加,直至饱和.显然,这不能简单用磁场的洛伦兹力来解释.因而,通常人们称这种现象为反常霍尔效应(anomalousHalleffect).正常霍尔效应ρxy=R0B1.3反常霍尔效应的特征（1）通常Rs大于R0至少一个量级以上（2）强烈地依赖于温度（3）在铁磁性金属中,即使没有外加磁场B,仅有x方向的电场E时,也会出现横向霍尔电压VH现在看来，AHE是一种对称破缺的现象，这一点上铁磁材料和非磁材料
4、有很大区别:铁磁材料在没有外加磁场时就有自发时间反演不对称。所以其机理上不一样是正常的，完全一样倒是有些奇怪。1.4反常霍尔效应的应用常规霍尔效应有着广泛的应用,如确定半导体的导电类型,测定载流子浓度和迁移率,以及制造霍尔传感器等等。而反常霍尔效应则是探究和表征铁磁材料中巡游电子输运特性的重要手段和工具之一.它的测量技术被广泛应用于许多领域,最重要的应用是在新兴的自旋电子学方面.例如,在III-V族半导体中掺入磁性锰原子,从而实现材料铁磁性与半导体性的人工联姻,促进了稀磁半导体(DMS)材料的诞生。二、反常霍尔效应的理论研究2.1Karplus和Luttinger本征机
5、制1954年,Karplus和Luttinger从理论上详细研究了自旋-轨道耦合作用对自旋极化巡游电子的输运影响,第一次提出了反常霍尔效应的内禀机制.他们完全忽略杂质、声子等散射,把外加电场作为微扰动展开,推导出在包含自旋-轨道耦合相互作用的理想晶体能带中运动的载流子,存在一个正比于贝里曲率的反常速度.正是由于这个反常速度的存在,在外加电场下,同时考虑到上自旋与下自旋的电子占据数不相等,导致电子将会有个净的横向电流,产生反常霍尔效应。2.2Smit的skewscattering理论Smit批驳了Karplus和Luttinger的观点,认为在真实的材料中总是存在缺陷或者
6、杂质,提出了螺旋散射(skewscattering)机制,认为对于固定自旋方向的电子,由于自旋-轨道耦合相互作用,电子受到杂质的散射是不对称的,结果定向运动的电子偏离原来的方向,形成横向的电荷积累,它的直观物理图像如图2所示.螺旋散射主要由被散射的载流子偏离原来路径方向的角度θH(也称为自发霍尔角)来表征:θH=ρxy/ρ.图2根据螺旋散射可以得到霍尔电阻率ρxy与ρ成正比,即ρxy∝ρ,而且霍尔电阻率ρxy还依赖于散射势的类型和作用距离.2.3Berger的sidejump机制1972年，Berger提出了另一个非本征的机制，同样是由于散射中自旋轨道耦合的影响，特定自
7、旋的载流子在经历与杂质散射后其质心位置向某个特定的方向偏移了一点(sidejump)。其示意图如下:后来，人们认为Sidejump机制可以被间接的看做KLanomalousvelocity的特殊表现，其中的外加电场换成了杂质势引起的电场。根据边跳机制可以得到霍尔电阻率ρxy与ρ成二次方关系,即ρxy∝ρ2这似乎可以成功地解释在铁、镍和铁镍合金中实验观察到的ρxy与总电阻平方ρ2成线性关系的现象.边跳机制模型与具体散射势的形式无关2.4贝里相位在AHE中的体现2004年，Yuguiyao（中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室）等人
