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仪表网 研发快讯】近日，《物理评论快报》(Physical Review Letters)正式刊发了国家脉冲强磁场科学中心张骁骁教授团队在拓扑半金属系统磁输运方面的研究成果，题为“Nonmonotonic Hall effect of Weyl semimetals under a magnetic field”，并被选为期刊编辑推荐论文。张骁骁为论文第一作者兼通讯作者，日本理化学研究所Naoto Nagaosa教授为共同通讯作者。
霍尔效应及相关的磁输运一直是固体系统中新物理的重要来源。近年来，拓扑量子材料的涌现显著激发了相关的输运研究，拓扑半金属正是其在三维空间的代表，具有类似于高能相对论性粒子的线性色散及独特的电子拓扑行为。没有外加磁场时，其表面态可产生作为磁性拓扑半金属标志的反常霍尔效应。这类破坏时间反演对称性的系统在理论上被预测，并在Mn3Sn、GdPtBi、Co3Sn2S2、PrAlSi等材料中进行了实验研究。霍尔磁输运通常被分解为对磁场线性依赖的普通霍尔效应和由自发磁化引起的反常霍尔效应。然而，实验中却经常发现非单调和非线性的霍尔信号，与以上简化但广为接受的图像相矛盾，至今未有明确的物理机制与理解。这是一种单纯的现象学上的巧合，还是由于各种材料背后隐藏着一些共同机制，值得科研人员进行进一步研究。
图1：(a)典型拓扑半金属中的贝里曲率与外加磁场；(b)外磁场下非单调的霍尔效应
本工作通过微观理论计算尝试回答了这一问题，在拓扑半金属中提出了一个系统性的具有非单调外磁场依赖的新型霍尔效应，结合了内在的时间反演对称破缺的拓扑以及外场诱导的磁量子效应。该研究发现了两种相关的机制——朗道能级弯曲和手性朗道能级移动——以及它们与Shubnikov-de Hass量子震荡效应的关系。这一新型霍尔效应在薄膜和块体样品中都很普遍，特别是与这类体系中提出的许多其他现象不同，并不需要对化学势进行精细调节。这些特性解释了实验中广泛观察到的反常现象，并提供了具体的物理图像，有望指导未来进一步的实验探测，代表了拓扑、自发磁性和外场调控的三方交叉点上的新物性。
此前，张骁骁团队还在拓扑半金属系统的表面谱学与体表耦合方面取得进展，于今年3月在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences， PNAS)发表了题为“Surface spectroscopy and surface–bulk hybridization of Weyl semimetals”的论文。该研究重点关注了输运之外的谱学性质，为各种典型外尔半金属提出了一个表面附近严格可解的理论，统一处理共振表面态和体态的共存，揭示了体-表混合的缺失数学结构，发现体-表合并的边界线周围存在非均匀且各向异性的奇性响应，将为深入的谱学、输运、光电响应等研究提供指引，有助于探索多种拓扑量子材料中非平凡的体-表混合物性。
图2：(a)谱权重中共存的表面态与体态；(b)体-表合并的边界线附近的奇性谱学信号
张骁骁于今年3月正式加入我校国家脉冲强磁场科学中心，是中心新引进的优秀青年人才，主要从事理论凝聚态物理研究，在拓扑和强关联体系的量子输运、量子物质的磁光激发与探测等方向已取得了系列研究成果，在国际高水平期刊发表论文近30篇。
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