評論(0

反常霍爾效應

標籤: 暫無標籤

自然界中,磁極總是南極北極成對出現的,而不象電子以孤立的正電子或負電子形式存在。1913年,狄拉克曾預言存在磁單極,即存在孤立的磁南極或磁北極,這樣的基本粒子叫做磁單極子。但實驗上至今沒有發現磁單極子的確切證據。最近一組來自日本、中國、瑞士的科學家報告他們發現了磁單極子存在的間接證據。他們在鐵磁晶體中觀察到反常霍爾效應,並且認為只有假設存在磁單極子才能解釋這種現象。

 

1 反常霍爾效應 -定義

美國物理學家霍爾(1855-1938)發現,如果對位於磁場中的導體施加一個電壓,該磁場的方向垂直於所施加電壓的方向,那麼在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會產生另一個電壓,人們將這個電壓叫做霍爾電壓,產生這種現象被稱為霍爾效應。更通俗地說,就是導體中有電流時,就有電荷載子在裡面移動。而當導體內有磁場時,導體內的電荷載子運動就會受影響,這些電荷載子因此可能就會往某一邊靠過去。導體的兩側,就會產生電壓差。鐵磁材料的霍爾效應通常由兩部分構成,一般非磁金屬材料的電阻應正比於外加磁場,稱為一般霍爾效應。然而在鐵磁金屬材料中,其電阻還與材料的磁化強度有關,此項被稱為反常霍爾效應。

反常霍爾效應反常霍爾效應

 

 

 

2 反常霍爾效應 -反常霍爾效應研究的最新進展

反常霍爾效應是研究鐵磁體中載流子特性的重要手段之一,過去人們並不十分理解它的產生機制。大約兩年前中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室姚裕貴副研究員和合作者利用第一性原理方法,首先從理論上發現室溫下經典鐵磁材料如鐵等的反常霍爾效應主要來源於內秉無散射機制既Berry幾何相位的貢獻,而不是早期研究中常常認為的外秉散射機制(詳見Yao et. al., Phys. Rev. Lett. 92, 037204 (2004)),因而內秉機制的研究對理解反常霍爾效應尤其重要。實驗中經常觀測到反常霍爾電導率和磁化強度成線性關係,內秉機制如何反映為這種行為,當時是不清楚的。

反常霍爾效應反常霍爾效應

近日,姚裕貴副研究員和美國Tennessee大學實驗研究小組Changgan Zeng博士、Hanno H. Weitering教授及美國Texas大學Austin分校牛謙教授合作,從理論和實驗兩方面針對鐵磁體Mn5Ge3薄膜體系中的反常霍爾效應進行了系統的研究,尤其是對產生反常霍爾效應的內秉機制和磁化強度的關係進行了深入的探索,並取得了新的重要成果。他們通過理論分析首先發現實驗中觀測到的反常霍爾效應可以分離出內秉和外秉機制的貢獻,其中內秉部分和第一性原理方法計算的理論值非常接近。此外理論和實驗上同時還發現Mn5Ge3體系中內秉反常霍爾電導率的大小和磁化強度成線性依賴關係,實驗和理論值在0 ∽ 240K (0.8TC) 溫度範圍內較吻合,此現象可用有限溫度下自旋波的長波起伏圖象進行解釋。這個工作進一步澄清了反常霍爾效應中內秉機制的作用,是這一研究領域的重要進展。

電場和磁場之間缺少對稱是物理學上最老的謎團之一。為什麼電子有正負電荷之分,而南北磁極卻不可分離呢?狄拉克獎磁單極子的存在和電荷量子化聯繫在一起——這是另一個還沒搞清楚的謎團——但磁單極子確實在實驗中還未被發現過。

一些尋求統一電弱與強相互作用的理論也預言了磁單極子的存在。但這些所謂大統一理論預言的單極子的質量對於實驗來說太大了,大約有10^16千兆電子伏。

來自位於Tsukuba的AIST(the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)的Yoshinori Tokura和他的合作者們沒有在實空間中尋找磁單極子,而是到動量空間中尋找。物理學家們利用了凝聚態物質中費米面(Fermi surfaces)、布里淵區(Brillouin zones)所構造的動量空間。這個小組被一個近來的理論工作所啟發,這個理論提出,動量空間中磁單極子的行為和反常霍爾效應有密切聯繫。

Tokura和合作者們將一個由鍶、釕和氧製成的晶體放進一個指向z極的磁場,然後在電流通過x方向時,測量橫向的電阻係數,即y方向的電阻係數。他們發現電阻係數並沒按預料中的隨溫度線性變化,而是起伏變化,甚至改變了符號。

研究者們還用高解析度的克爾顯微術 (Kerr microscopy)測量了晶體一層薄片的橫向光電導率,發現了一個在低能時的尖峰。按照Tokura及其合作者的解釋,這個尖峰只能由晶體能帶結構中存在磁單極子來解釋。這兩個反常效應是磁單極子存在的「指紋」。現在小組計劃尋找能夠顯示更強的反常效應的物質。這個電磁學規律是物理學每個領域的新起點,從這個觀點出發,已經證明我們能利用固態晶體的實驗能夠驗證包括粒子物理和宇宙物理中的大多數物理問題。

3 反常霍爾效應 -參考資料

http://www.qiji.cn/news/scinews/2003/10/10/20031010175455.htm

http://www.iphy.ac.cn/Chinese/kjdt2006/0209_4.htm

上一篇[曲龍寺]    下一篇 [薏米紅棗粥]

相關評論

同義詞:暫無同義詞