磁性Weyl半金属中实现高达25度的反常霍尔角

电流在导体中流动时，若存在垂直于电流方向的磁场，会产生一个垂直于电流和磁场方向的横向电压，这就是著名的霍尔效应。对于磁性材料而言，即使没有外部磁场，由于材料自身的内禀磁矩或自旋轨道耦合，也会产生一个类似的横向电压，这一现象被称为反常霍尔效应 (AHE)。反常霍尔效应不仅是凝聚态物理中的一个基本现象，更在自旋电子学和磁传感等领域具有重要的应用前景。

而反常霍尔角 (θA)，作为衡量纵向电流转化为横向霍尔电流效率的关键参数，其大小和可调控性直接影响着这些应用的性能。传统磁性材料的反常霍尔角往往较小且难以有效调控，这成为了相关技术发展的瓶颈。然而，随着拓扑材料研究的兴起，磁性拓扑半金属因其独特的电子结构和强烈的拓扑保护特性，为实现巨反常霍尔效应和反常霍尔角的有效调控提供了新的平台。

近期发表在Nature Electronics 上的题为 "Modulation of the anomalous Hall angle in a magnetic topological semimetal" 的研究论文，正是这一领域的重大进展，报道了在磁性Weyl半金属Co₃Sn₂S₂中成功实现了反常霍尔角的显著调控，为高性能自旋电子器件和磁传感器的发展奠定了基础。

反常霍尔角，其正切值通常定义为反常霍尔电导率 (σxyA) 与纵向电导率 (σxx) 之比，即 tanθA=σxyA/σxx；或者等效地，定义为反常霍尔电阻率 (ρxyA) 与纵向电阻率 (ρxx) 之比，tanθA=ρxyA/ρxx。从这个定义可以看出，要获得较大的反常霍尔角，既需要较大的反常霍尔电导率，也需要合适的纵向电导率。

在许多传统磁性材料中，尽管可以通过优化材料成分和微结构来提高反常霍尔电导率，但同时纵向电导率也往往很高，导致最终的反常霍尔角维持在一个较低的水平，通常在0.1°到3°之间。这种固有的限制极大地制约了反常霍尔效应在高灵敏度磁场传感等领域的应用，因为传感器的灵敏度与反常霍尔角的大小密切相关。

近年来，拓扑材料，特别是磁性拓扑半金属，如Weyl半金属和Dirac半金属，成为了凝聚态物理和材料科学的研究热点。这类材料在动量空间中拥有受拓扑保护的能带交叉点（如Weyl点或Dirac点），这些交叉点附近存在着强烈的贝里曲率。贝里曲率可以理解为电子在动量空间中运动时感受到的“等效磁场”，正是这种内禀的贝里曲率赋予了拓扑材料许多奇异的输运性质，其中就包括巨大的本征反常霍尔效应。

在磁性拓扑半金属中，时间反演对称性的破缺使得这些能带交叉点（例如Weyl点）得以存在并分离，从而在费米面附近产生集中的贝里曲率，导致远超传统材料的反常霍尔电导率。Co₃Sn₂S₂作为一种典型的磁性Weyl半金属，其独特的kagome晶格结构和费米面附近的Weyl点被认为是其巨反常霍尔效应的来源。

然而，仅仅拥有大的反常霍尔电导率并不意味着一定能获得大的反常霍尔角。根据定义，反常霍尔角还取决于纵向输运性质。因此，实现对反常霍尔角的有效调控，需要在保证甚至增强反常霍尔电导率的同时，巧妙地调控材料的纵向电导率。这正是该论文的关键创新之处，作者们深入分析了反常霍尔角的定义，并提出可以通过调控材料的电阻率和反常霍尔电导率的乘积来实现对tanθA的有效控制。

研究团队以Co₃Sn₂S₂为基础，通过引入铁掺杂等手段，系统地研究了材料成分和输运性质的变化对反常霍尔角的影响。他们发现，通过对材料进行精细调控，可以有效地改变材料的纵向电阻率，同时保持甚至优化反常霍尔电导率，从而显著地调制反常霍尔角。实验结果令人振奋，他们成功地将反常霍尔角正切值 (tanθA) 的幅度调控至0.46，这相当于一个高达约25度的反常霍尔角。这一数值是传统磁性材料反常霍尔角的数倍甚至数十倍，展现了磁性拓扑半金属在实现大反常霍尔角方面的巨大优势和调控潜力。

这项研究的意义不仅在于实现了巨大的可调控反常霍尔角，更在于其在器件应用方面的直接体现。研究人员利用Fe掺杂的Co₃Sn₂S₂单晶纳米薄片构建了反常霍尔器件，并对其磁场传感性能进行了评估。结果显示，这些器件表现出了极高的霍尔灵敏度 (7,028 ± 341 μΩ cm T⁻¹)，以及在低频下优异的磁场探测能力 (23.5 ± 1.7 nT Hz⁻⁰.⁵)。这些性能指标已经可以与一些现有的高性能磁场传感器相媲美，甚至在某些方面有所超越。这充分证明了在磁性拓扑半金属中对反常霍尔角的成功调控，能够直接转化为高性能的传感应用。

当然，将这项研究成果推向实际应用仍然面临一些挑战。例如，材料的规模化制备、器件的集成工艺、以及在更广泛温度范围内的性能稳定性等问题还需要进一步研究和解决。然而，该论文所展示的在磁性拓扑半金属中实现反常霍尔角显著调控的能力，无疑是迈向这些应用的重要一步。