南京大学/南方科技大学/上海科技大学Nature: 菱方少层石墨中的变维反常霍尔效应

反常霍尔效应（AHE）发生在时间反演对称性被打破的材料中，是磁有序与电子轨道运动之间相互作用的典型体现。在二维体系中，反常霍尔效应与面内手性轨道运动所关联的面外轨道磁化相互耦合。在三维体系中，当样品厚度远超垂直相干输运长度l_z时，反常霍尔效应实际上相当于一个厚度平均后的二维对应体，其仍然由源自面内轨道运动的面外轨道磁化所主导。

在此研究中，作者报道了一种全新类型反常霍尔效应的实验观测结果。这种反常霍尔效应在多层菱方石墨烯中同时耦合了面内和面外轨道磁化，表现为在面内和面外磁场下均出现显著霍尔电阻磁滞。这一状态源于一种奇特的金属相，该金属相在电子-电子相互作用的驱动下自发打破了时间反演对称性、镜像对称性和旋转对称性。通过测量涵盖3至15层的多个器件，发现该现象仅出现在2至5纳米的中间厚度范围内。

理论计算表明，在此厚度窗口内的载流子能够在二维平面内以及跨越二维平面维持相干的轨道运动。综合这些结果，确定了一个处于二维与三维之间的、此前未被探索的“变维”区域，在该区域中样品厚度远大于原子间距，但仍与垂直相干输运长度可比拟，从而促成了这种新物质状态——变维反常霍尔效应的出现。这项研究发现指向了一类独特的反常霍尔效应，为在变维体系中探索关联和拓扑物理开辟了新的模型。

图3 具有独特面内轨道磁化和面外磁化的变维反常霍尔效应

图4 面内磁滞的温度依赖性及哈特里-福克计算

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