外尔铁磁体Fe3Sn中室温反常面内霍尔效应的拓扑起源与异质结调控

《Nature Communications》：Room temperature observation of the anomalous in-plane Hall effect in a Weyl ferromagnet

本研究针对拓扑磁性材料中因严格对称性限制而难以观测的反常面内霍尔效应（IPHE）问题，通过分子束外延制备Kagome金属Fe3Sn薄膜，结合电输运测量与理论计算，首次在室温下实现了IPHE的观测。研究发现自旋轨道耦合与磁矩倾斜共同打破晶体对称性，诱导拓扑外尔点产生非零贝里曲率，从而产生具有cos(φB)角度依赖性的本征IPHE。通过构建Fe3Sn/CoFeB异质结，进一步利用磁杂散场将IPHE振幅提升38%。该工作为拓扑磁体在磁传感、自旋电子学等领域的应用提供了设计范式。

　　

在拓扑量子材料研究领域，反常霍尔效应（AHE）作为贝里曲率的宏观体现，已成为探索电子拓扑态的重要探针。然而，当磁场局限于材料平面时，由于晶体对称性的严格限制，反常面内霍尔效应（IPHE）的观测始终面临挑战。传统AHE需要打破时间反演对称性，而IPHE还需额外打破面内旋转对称性，这使得其仅在特定对称性破缺体系中得以显现。尽管理论预测拓扑磁体可产生室温IPHE，但实验上仍缺乏可靠证据。

为攻克这一难题，香港科技大学研究团队选择具有Kagome晶格结构的铁磁体Fe₃Sn作为研究对象。该材料中铁原子构成二维Kagome网络，锡原子占据蜂窝中心，其强磁交换作用（J≈40 meV）使居里温度高达705 K，为室温观测提供了理想平台。理论计算表明，当Fe磁矩因倾斜产生面外分量时，可打破关键磁空间群对称性M_ztT，进而激活由外尔点诱导的非零贝里曲率。

研究人员采用分子束外延技术在蓝宝石衬底上生长出30-60 nm厚的高质量Fe₃Sn薄膜，通过振动样品磁强计证实了磁矩倾斜的存在（M_z≈0.11μ_B/Fe）。创新性地设计12端环形霍尔棒器件，通过磁场角度分辨测量与对称化操作，成功分离出IPHE、平面霍尔效应（PHE）和对称横向电阻（STR）等不同贡献。

实验结果显示，在300 K温度下，IPHE电阻率ρ_IPHE呈现明显的2π周期性和cos(φ_B)角度依赖性，且与电流方向φ_E无关，这与理论预测高度吻合。特别值得注意的是，IPHE电导率在100-300 K范围内保持恒定（|σ_IPHE⁰|≈0.68 S cm^-1），表明其本征贝里曲率起源。当温度低于100 K时，σ_IPHE∝σ_xx的标度关系则暗示斜散射机制开始主导。

通过厚度依赖研究（30 nm与60 nm薄膜），发现IPHE信号与膜厚成正比，排除了界面效应对磁矩倾斜的主导作用。进一步地，团队构建了TiO₂/CoFeB/Al₂O₃/Fe₃Sn异质结，利用CoFeB的磁杂散场增强Fe₃Sn的磁矩倾斜，使IPHE振幅提升38%，展示了外场调控拓扑输运效应的可行性。

关键技术方法包括：分子束外延薄膜生长、环形霍尔棒器件微加工、磁场角度分辨电输运测量、对称化数据分析、密度泛函理论计算与Wannier紧束缚模型构建。扫描透射电子显微镜与能量色散X射线光谱用于表征异质结界面结构，振动样品磁强计用于磁性能测试。

研究结果系统揭示了IPHE的物理本质：1）对称性分析表明磁矩倾斜打破M_ztT对称性是实现IPHE的关键；2）能带计算证实外尔点靠近费米面是贝里曲率的来源；3）室温观测验证了强磁交换作用对拓扑效应的稳定作用；4）异质结调控演示了IPHE在器件应用中的潜力。

这项发表于《Nature Communications》的工作首次在室温下实现了拓扑磁体中的反常面内霍尔效应观测，建立了“Kagome晶格+自旋轨道耦合+铁磁性”的材料设计范式。不仅为探索二阶非线性霍尔效应等新奇拓扑输运现象提供了技术路线，更推动了拓扑材料在磁传感、自旋电子学和能量收集等技术领域的应用进程。该研究凸显了对称性调控在拓扑物性探索中的核心地位，为未来设计高性能拓扑电子器件奠定了坚实基础。