南京大学团队发现“变维反常霍尔态” 突破量子物理传统认知
近日，国际顶级学术期刊《自然》在线发表了一项来自南京大学物理学院王雷、于葛亮教授团队的突破性研究成果“Transdimensional anomalous Hall effect in rhombohedral thin graphite”。该团队在强关联量子物态研究中首次发现一种名为“变维反常霍尔态”的新量子物态，并观测到其独特的物理特性。这一发现突破了传统反常霍尔效应的基本图景，为量子材料领域开辟了全新的研究方向。突破传统：反常霍尔效应的维度穿越
传统反常霍尔效应中，磁化、电流与霍尔电场三者相互垂直，形成固定的空间关系。然而，南京大学团队在实验中观测到一种前所未有的现象：在2～5纳米厚的菱方堆垛石墨材料中，霍尔电阻不仅与面外轨道磁化耦合，还同时与面内轨道磁化产生关联。这一特性表现为材料在平行磁场和垂直磁场下均出现显著的霍尔电阻磁滞回线，彻底颠覆了传统理论中“三维正交”的基本框架。研究团队将这一新物态命名为“变维反常霍尔态”，其核心机制源于量子材料中层间相干效应与电子关联作用的共同作用。在传统量子物态研究中，电子行为通常被限制在单一维度或固定维度区间内，而此次发现的“穿越维度”区间则允许电子在层间自由度与面内自由度之间产生复杂耦合，从而孕育出全新的物理现象。平台选择：菱方堆垛石墨的独特优势
为实现这一突破，研究团队选取了2～5纳米厚的菱方堆垛石墨作为实验平台。这种材料具有近乎平坦的低能能带结构，态密度极高，且其范霍夫奇点和费米面形状可通过外加位移场实现精准调控。这种特性使得电子-电子相互作用被显著放大，为观测强关联效应提供了理想条件。在平带系统中，电子的自旋、谷和轨道自由度容易发生自发对称性破缺，进而形成轨道环路电流和自发轨道磁性。研究团队通过系统实验发现，当材料厚度控制在九层菱方石墨烯时，其载流子密度与位移场构成的二维参数空间中，除已知的自发对称性破缺金属相外，还存在一个特殊区域。该区域位于两个四分之一金属相与一个部分同位旋极化相之间，却几乎不表现出常规的舒布尼科夫–德哈斯振荡，甚至在13特斯拉的强垂直磁场下仍无法形成朗道能级结构。这一反常特征表明，该区域并非普通金属态，而是一种由强电子关联稳定的新型基态。实验验证：相图绘制揭示新物态
为进一步揭示这一新型基态的本质，研究团队在九层菱方石墨烯器件中绘制了载流子密度与位移场的二维相图。通过精确调控材料参数，他们发现当位移场与载流子密度达到特定组合时，系统会进入一个此前未被理论预测的物态区域。该区域内的电子行为表现出显著的各向异性，其霍尔电阻随磁场方向的变化规律与传统理论完全不符。实验数据显示，在平行磁场条件下，材料仍能产生与垂直磁场相当的霍尔电阻响应，且磁滞回线的形状与强度随位移场强度呈现非线性变化。这一现象表明，变维反常霍尔态中的电子关联效应已突破传统维度限制，形成了跨越层间与面内的复杂耦合网络。研究团队通过对比不同厚度材料的实验结果进一步确认，这种新物态仅在特定厚度区间内稳定存在，其形成机制与层间相干长度密切相关。理论意义：重构量子物态认知框架
变维反常霍尔态的发现为量子材料研究提供了全新视角。传统理论中，量子物态的分类主要基于对称性破缺模式与维度特性，而新物态的出现表明，在强关联体系中，维度本身可能成为可调控的物理参数。这一发现不仅拓展了反常霍尔效应的适用范围，更为设计新型量子器件开辟了新路径。变维反常霍尔态的独特性质使其在低能耗电子学、拓扑量子计算等领域具有潜在应用价值。例如，基于该物态的霍尔电阻对磁场方向的非敏感特性，可用于开发新型磁传感器；而其层间相干效应则可能为构建三维量子比特提供物理基础。目前，团队正进一步探索不同材料体系中变维物态的普适性，并尝试通过材料工程手段实现对其物理参数的精准调控。此次研究由南京大学物理学院主导，联合多家科研机构共同完成。作为强关联量子物态领域的里程碑式成果，变维反常霍尔态的发现标志着人类对量子世界认知的又一次深化。随着后续研究的推进，这一新物态有望推动量子技术从实验室走向实际应用，为下一代信息技术革命提供核心物理支撑。DOI：10.1038/s41586-026-10471-1
