突破传统认知：V1/3NbS2中共线反铁磁体非费米液体的零场霍尔效应及其意义

为探究磁性、能带结构和电子关联相互作用产生的量子现象，研究人员对 V1/3NbS2展开研究。他们发现其共线反铁磁（AFM）态存在近零磁化的反常霍尔效应（AHE）和非费米液体（NFL）行为，这挑战了现有理论框架，为研究多体关联材料提供了新视角。

　　在凝聚态物理领域，量子现象的探索一直是科研的前沿热点。随着研究的深入，科学家们发现许多新奇的量子特性隐藏在材料中，它们源于磁性、能带结构和电子关联之间错综复杂的相互作用。然而，目前对于这些相互作用如何产生新型电子特性，尤其是在强关联电子体系中的机制，仍知之甚少。比如，传统的用于理解 AHE 的单粒子框架，是基于非相互作用电子能带的有效单粒子理论，并未考虑电子关联或多体纠缠，这在解释一些复杂材料中的 AHE 现象时存在很大局限性。在这样的背景下，研究人员迫切需要寻找新的材料体系，深入探究其中的量子奥秘，以突破现有理论的束缚，为开发新型电子器件和理解强关联量子相提供理论基础。
东京大学、约翰霍普金斯大学等多机构的研究人员聚焦于 V_1/3NbS₂，开展了一系列研究。他们发现 V_1/3NbS₂的共线 AFM 态中存在显著的零场 AHE，且该现象伴随着 NFL 行为。这一发现意义重大，挑战了现有的基于单粒子框架理解 AHE 的理论，揭示了多体关联在产生新型电子态中的关键作用，为研究磁性插层过渡金属二硫属化物（TMDs）中的新奇电子态开辟了新方向，有望推动电子和自旋电子学领域超越现有范式的发展。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。在材料制备方面，运用化学气相传输法合成 V_1/3NbS₂单晶；通过电子探针微分析仪（EPMA）、单晶 X 射线衍射、透射电子显微镜（TEM）对晶体进行表征。利用 SQUID 磁强计、物理性质测量系统（PPMS）进行磁化、比热和电输运测量。借助中子衍射技术，在多个仪器上测定材料的磁性结构。还通过密度泛函理论加动力学平均场理论（DFT+DMFT）计算辅助研究。

研究结果

1. V_1/3NbS₂的磁性结构：通过单晶磁化和中子衍射测量确定其磁性结构。磁化测量显示，在 50K 以下转变为 AFM 有序态（奈尔温度 T_N=50 (1) K ），冷却过程中呈现各向异性磁性。中子衍射发现，冷却至 T_N以下，出现位于 Q=(0001) 的磁性布拉格峰，其强度随温度变化符合序参量形式。确定了共线 AFM 结构中 V 原子磁矩大小、局部易轴方向等，排除了其他非共面自旋构型的可能性。
2. 共线 AFM 态中的反常霍尔效应：尽管 V_1/3NbS₂共线 AFM 态磁化强度极小，但存在显著的自发（零场）霍尔效应。霍尔电阻率和电导率测量表明，10K 以下出现自发霍尔效应，2K 时霍尔电阻率约 0.1μΩ?cm，霍尔电导率约 3Ω^-1·cm^-1 ，且与净磁化强度的关系超出传统铁磁体的线性关系，与拓扑磁性材料处于同一范围。面内自发 AHE 与面外表现不同，面内的可由传统机制解释。
3. 增强的反常霍尔效应伴随的非费米液体行为：在与大自发 AHE 相同的低温范围（T≤10K），V_1/3NbS₂出现显著的 NFL 电阻率。零场纵向电阻率在 350K 至 T_N之间呈线性温度依赖，T_N以下急剧下降，10K 以下再次呈线性温度依赖，1K 以下变为 T^1.6(1)行为。电子比热系数在 1.3K 以下对数增加，与电阻率的 T^1.6(1)行为起始温度重叠。

研究结论与讨论

V_1/3NbS₂中共线 AFM 态的零场 AHE 和 NFL 行为挑战了传统理论。AFM 自旋结构的对称性为理解无磁化自发 AHE 提供基础，电子关联在零场新型电子态形成中起重要作用。实验中一些现象与对称性预期不符，可能与结构无序有关，结构无序影响霍尔和磁化测量。低 T 的 NFL 行为可能与手性自旋结构等机制有关，V_1/3NbS₂有望成为研究无序调控奇异金属行为和普朗克输运的范例。
该研究揭示了 V_1/3NbS₂中丰富的量子现象，为理解强关联电子体系中的量子特性提供了重要依据，也为开发新型电子和自旋电子器件提供了新的思路和材料体系。其研究成果不仅加深了人们对多体关联、能带拓扑和磁性相互作用的认识，还为未来在凝聚态物理和材料科学领域的进一步研究奠定了坚实基础。