第11篇正刊！南京大學(xué)王雷教授、于葛亮教授最新成果登頂《Nature》

4月29日，南京大學(xué)物理學(xué)院王雷教授、南京大學(xué)物理學(xué)院于葛亮教授，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉健鵬副教授、南方科技大學(xué)物理系趙悅副教授作為共同通訊作者在全球頂級(jí)科研期刊《Nature》雜志發(fā)表了題為“Transdimensional anomalous Hall effect in rhombohedral thin graphite”的研究論文。南京大學(xué)是本文的第一完成單位。南京大學(xué)物理學(xué)院李慶鑫博士為論文第一作者。

值得注意的是，這是南京大學(xué)2026年度第3篇Nature/Science正刊（通訊作者），也是王雷教授個(gè)人的第11篇Nature/Science正刊。

研究團(tuán)隊(duì)首次在一個(gè)未被探索過(guò)的維度——“穿越維度”區(qū)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的強(qiáng)關(guān)聯(lián)物態(tài)，并在其中觀(guān)測(cè)到一種前所未有的反常霍爾效應(yīng)：它不僅與面外軌道磁化耦合，還同時(shí)耦合到面內(nèi)軌道磁化，表現(xiàn)為在平行磁場(chǎng)和垂直磁場(chǎng)下都出現(xiàn)顯著的霍爾電阻磁滯回線(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)反常霍爾效應(yīng)中“磁化、電流與霍爾電場(chǎng)相互正交”的基本圖景，揭示了“穿越維度”區(qū)間內(nèi)量子材料中由層間相干和電子關(guān)聯(lián)共同孕育的新物理。

南京大學(xué)王雷、于葛亮團(tuán)隊(duì)和合作者發(fā)現(xiàn)“穿越維度”的新量子物態(tài)變維反常霍爾態(tài)

反常霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理中的經(jīng)典輸運(yùn)現(xiàn)象之一，也是理解磁性有序與電子軌道運(yùn)動(dòng)如何相互交織的重要窗口。與普通霍爾效應(yīng)需要外加磁場(chǎng)不同，反常霍爾效應(yīng)可以在零外磁場(chǎng)下出現(xiàn)，通常意味著體系內(nèi)部已經(jīng)自發(fā)打破了時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性。它不僅是拓?fù)湮飸B(tài)和磁性輸運(yùn)研究中的核心問(wèn)題，也被認(rèn)為在低功耗電子學(xué)器件中具有重要潛力。近年來(lái)，整數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)的相繼發(fā)現(xiàn)，更進(jìn)一步顯示出反常霍爾物理在揭示新型量子物態(tài)方面的獨(dú)特價(jià)值。在傳統(tǒng)磁性材料中，反常霍爾效應(yīng)通常與自旋軌道耦合有關(guān)：電子自旋磁性通過(guò)自旋軌道耦合影響其軌道運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生軌道磁化和霍爾響應(yīng)。近年來(lái)，扭轉(zhuǎn)莫爾體系又揭示了另一種路徑：即使自旋軌道耦合極弱，強(qiáng)庫(kù)侖相互作用也可以驅(qū)動(dòng)軌道鐵磁態(tài)，自發(fā)打破時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性并產(chǎn)生反常霍爾效應(yīng)。然而，無(wú)論軌道磁化來(lái)源于自旋軌道耦合還是電子關(guān)聯(lián)，迄今已知的反常霍爾效應(yīng)和量子反常霍爾效應(yīng)都具有一個(gè)共同特征：它們本質(zhì)上都源于平面內(nèi)電子軌道運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的面外軌道磁化，并服從磁化方向、電流方向和霍爾電場(chǎng)方向彼此垂直的“正交關(guān)系”:M∝J×EH。

然而，如果從維度的角度重新審視這一問(wèn)題，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一種長(zhǎng)期被忽視的可能性。在嚴(yán)格二維體系中，電子軌道運(yùn)動(dòng)主要局限于平面內(nèi)，因此反常霍爾效應(yīng)只能與面外軌道磁化相耦合（圖1a, d）；而在三維體系中，盡管電子可以沿第三個(gè)維度運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)樣品厚度遠(yuǎn)大于相干輸運(yùn)長(zhǎng)度時(shí)，層間相干軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)被散射和退相干迅速破壞，其反常霍爾響應(yīng)本質(zhì)上仍可視作二維響應(yīng)在厚度方向上的平均（圖1b, d）。過(guò)去所有已知的反常霍爾和量子反常霍爾體系都可以歸入這兩類(lèi)圖景，并遵循上M∝J×EH。真正未被探索的是介于二者之間的“穿越維度”區(qū)間：樣品已經(jīng)不是原子級(jí)薄層，但又沒(méi)有厚到完全失去層間相干。在這一新區(qū)域中，電子能夠同時(shí)進(jìn)行面內(nèi)和面外的相干軌道運(yùn)動(dòng)，從而可能形成一種同時(shí)耦合面內(nèi)與面外軌道磁化的全新反常霍爾效應(yīng)（圖1c, f）。這不僅意味著一種新的輸運(yùn)響應(yīng)，更指向一種不同于傳統(tǒng)二維和三維極限的全新物理和全新物態(tài)。

圖1.(a)二維反常霍爾效應(yīng)；(b) 三維反常霍爾效應(yīng)；(c) 變維反常霍爾效應(yīng)，同時(shí)伴隨面外和面內(nèi)的軌道環(huán)路電流以及軌道磁化。(d) 常規(guī)反常霍爾效應(yīng)僅表現(xiàn)出面外磁滯；(e) 面內(nèi)霍爾效應(yīng)表現(xiàn)為平行外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的線(xiàn)性霍爾響應(yīng)；(f)變維反常霍爾效應(yīng)則在面外和平行磁場(chǎng)下均表現(xiàn)出明顯磁滯。

為了尋找這一全新效應(yīng)，王雷教授研究團(tuán)隊(duì)選取 2～5 nm 厚的菱方堆垛石墨作為研究平臺(tái)。菱方多層石墨烯具有近乎平坦的低能能帶和很高的態(tài)密度，外加位移場(chǎng)還可以進(jìn)一步調(diào)控范霍夫奇點(diǎn)和費(fèi)米面形狀，使電子-電子相互作用被顯著放大。在這樣的平帶系統(tǒng)中，電子的自旋、谷和軌道自由度容易發(fā)生自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺，并可能形成軌道環(huán)路電流和自發(fā)軌道磁性。研究人員首先在九層菱方石墨烯器件中繪制了載流子密度和位移場(chǎng)二維參數(shù)空間中的相圖，發(fā)現(xiàn)除已知的自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺金屬相之外，還存在一個(gè)非常特殊的區(qū)域（圖2a）：它位于兩個(gè)四分之一金屬相和一個(gè)部分同位旋極化相之間，卻幾乎不表現(xiàn)出常規(guī)的舒布尼科夫–德哈斯振蕩，甚至在13T垂直磁場(chǎng)下仍然沒(méi)有形成朗道能級(jí)結(jié)構(gòu)。這一反常特征提示，該區(qū)域并非普通金屬態(tài)，而是一種由強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)穩(wěn)定下來(lái)的新型基態(tài)。

圍繞這一異常相，王雷教授研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)展了平行磁場(chǎng)和垂直磁場(chǎng)下的輸運(yùn)測(cè)量，得到了本工作的核心發(fā)現(xiàn)：霍爾電阻不僅在垂直磁場(chǎng)下出現(xiàn)磁滯回線(xiàn)，在平行磁場(chǎng)下也出現(xiàn)了清晰而顯著的磁滯回線(xiàn)（圖2b和c）。換言之，這是一種在多層菱方石墨烯中同時(shí)耦合面內(nèi)和面外軌道磁化的反常霍爾效應(yīng)，其最直接的實(shí)驗(yàn)標(biāo)志就是平行場(chǎng)與垂直場(chǎng)下均出現(xiàn)顯著霍爾電阻磁滯。研究團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格排除了平行磁場(chǎng)測(cè)量中殘余垂直分量等實(shí)驗(yàn)偽效應(yīng)，確認(rèn)這一磁滯信號(hào)具有內(nèi)稟起源，并將這一新現(xiàn)象命名為變維反常霍爾效應(yīng)。與傳統(tǒng) Stoner 型鐵磁金屬中的反常霍爾響應(yīng)相比，這一效應(yīng)首次顯示出巨大的面內(nèi)軌道鐵磁性，是對(duì)反常霍爾效應(yīng)基本圖景的一次重要拓展。

進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多個(gè)不同厚度器件的系統(tǒng)比較以及理論計(jì)算，揭示了這一新奇現(xiàn)象的物理來(lái)源。實(shí)驗(yàn)表明，變維反常霍爾效應(yīng)并不是在所有厚度下都存在，而是只出現(xiàn)在一個(gè)有限的中間厚度窗口中：樣品太薄時(shí)更接近嚴(yán)格二維極限；樣品太厚時(shí)，層間相干軌道運(yùn)動(dòng)又會(huì)因退相干而被破壞。只有在這一居中的 “穿越維度”區(qū)間中，電子才可能同時(shí)保持面內(nèi)和面外的相干軌道運(yùn)動(dòng)。理論計(jì)算進(jìn)一步表明(圖2d)，在合適的載流子密度和位移場(chǎng)條件下，電子-電子相互作用會(huì)驅(qū)動(dòng)體系自發(fā)破缺時(shí)間反演、旋轉(zhuǎn)和鏡面對(duì)稱(chēng)性，形成一種特殊的軌道鐵磁金屬態(tài)。在這一全新物態(tài)中，體系內(nèi)部可同時(shí)產(chǎn)生面外環(huán)路電流與面內(nèi)環(huán)路電流，分別對(duì)應(yīng)面外和面內(nèi)軌道磁化，并最終導(dǎo)致這種全新的反常霍爾響應(yīng)。

研究團(tuán)隊(duì)還考察了該態(tài)的溫度演化，發(fā)現(xiàn)平行磁場(chǎng)與垂直磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的磁滯信號(hào)具有明顯不同的消失溫度：與面內(nèi)軌道磁化相關(guān)的平行場(chǎng)磁滯在約 1.6 K 時(shí)消失，而與面外磁化相關(guān)的垂直場(chǎng)磁滯則可以持續(xù)到約 4 K。這說(shuō)明兩類(lèi)磁化雖然在同一電子相中共存，但并非來(lái)自完全相同的內(nèi)稟機(jī)制。面內(nèi)軌道磁化依賴(lài)于“穿越維度”區(qū)間中特有的層間相干軌道運(yùn)動(dòng)，而面外磁化則更接近已有研究中的斯通納型同位旋鐵磁性。兩個(gè)不同臨界溫度的出現(xiàn)，為區(qū)分這兩種機(jī)制提供了直接而關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖2.(a) n-D相圖中變維反常霍爾效應(yīng)對(duì)應(yīng)區(qū)域（綠色）。(b)、(c)掃描平行磁場(chǎng)時(shí)測(cè)得的霍爾電阻Rxy和掃描垂直磁場(chǎng)時(shí)測(cè)得的Rxy得到的磁滯回線(xiàn)。(d)理論計(jì)算得到的費(fèi)米面，其中中間的費(fèi)米面是長(zhǎng)程庫(kù)侖作用驅(qū)動(dòng)形成的新月形費(fèi)米面軌道鐵磁態(tài)，是產(chǎn)生變維反常霍爾效應(yīng)必要條件。

這項(xiàng)工作首次從實(shí)驗(yàn)上揭示了一個(gè)不同于傳統(tǒng)二維和三維極限、由有限厚度與層間相干共同定義的“穿越維度”電子輸運(yùn)新范式。它不僅發(fā)現(xiàn)了一種全新的反常霍爾效應(yīng)類(lèi)型，更重要的是確認(rèn)了一種由強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)、軌道環(huán)路電流和層間相干共同穩(wěn)定的全新軌道鐵磁物態(tài)。這一突破將人們對(duì)反常霍爾效應(yīng)的理解從傳統(tǒng)二維/三維二分圖景拓展到一個(gè)全新的維度區(qū)間，為多層石墨烯以及更廣泛范德華量子材料中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)軌道物理研究開(kāi)辟了新的方向。

王雷，南京大學(xué)物理學(xué)院教授、南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。本科畢業(yè)于新加坡國(guó)立大學(xué)，博士師從哥倫比亞大學(xué)二維材料領(lǐng)域的先驅(qū)James Hone教授，隨后他以Kavli Fellow的身份加入康奈爾大學(xué)納米科學(xué)領(lǐng)域的鼻祖Paul McEuen院士團(tuán)隊(duì)。

長(zhǎng)期從事二維量子材料的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)的研究。王雷發(fā)明的二維材料的pick-up轉(zhuǎn)移堆疊技術(shù)，推進(jìn)了二維范德華材料異質(zhì)結(jié)領(lǐng)域的產(chǎn)生和發(fā)展。王雷教授目前已發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文70余篇，包括Nature、 Science 及其子刊35篇，其中 Science 6篇，Nature 5篇，被引用共3萬(wàn)余次。

于葛亮，南京大學(xué)物理學(xué)院教授、南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)博士（導(dǎo)師：諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Andre K. Geim），英國(guó)國(guó)家石墨烯中心博士后。

長(zhǎng)期從事高遷移率二維材料和半導(dǎo)體器件研究，首次實(shí)現(xiàn)了二維材料千萬(wàn)級(jí)電子遷移率和二維半導(dǎo)體傳感器晶圓流片。于葛亮教授目前已發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文70余篇，包括Nature、Science及其子刊、PNAS等。

編輯、審核：艾克旦

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