美国物理学家埃德温·霍尔（Edwin Hall）于1879年发现了正常霍尔效应（ordinary Hall effect），两年后又在铁磁金属中发现反常霍尔效应（anomalous Hall effect）。如今，霍尔效应已经成为凝聚态物理研究的重要工具；诸多霍尔效应，如整数和分数量子霍尔效应，以及近年来发现的量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应等，极大地推动了凝聚态物理学和相关学科的发展。

在正常霍尔效应中，施加的外电场E在样品测量平面内，而磁场B垂直于样品平面，产生的霍尔电流JH在样品平面内，且方向和电场垂直；这三个矢量两两垂直的关系源于载流子所受到的洛伦兹力F=ev×B。在反常霍尔效应中，磁场B被磁化强度M替代，也满足JH∝E×M这样的两两垂直关系。因此，当磁场B或者磁化强度M在样品平面内时，通常不存在霍尔效应。

近日，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心吴孝松研究员与北京理工大学物理学院周家东、姚裕贵教授，日本大阪大学Kazu Suenaga教授，新加坡南洋理工大学刘政教授等合作，合成了一种硫钒化合物（分子式为V5S8），并系统研究了其结构和电输运性质。他们发现，当磁场B在样品平面内时，这种材料表现出有悖于人们直觉的面内霍尔效应。进一步的透射电子显微镜结构分析揭示出，该材料具有新型的超晶格结构，即由二维VS2原子晶体和一维VS原子链阵列交替堆叠而成（图1）；此异维结构有别于由不同材料的二维薄膜堆叠而成的传统超晶格结构，为未来超晶格材料开辟了新的设计思路。

图1 VS2-VS异维超晶格结构

实验发现的新奇面内霍尔效应源于该材料中特殊形式的自旋轨道耦合。在面内磁场和自旋轨道耦合的作用下，能带产生了具有面外分量的贝里曲率。贝里曲率可以被视为动量空间的虚拟磁场，因此载流子在该虚拟磁场作用下发生偏转，产生了面内霍尔效应。第一性原理的计算结果和实验符合得很好，从而进一步证实了这一物理机制。目前，结合该材料自旋轨道耦合的超导约瑟夫森效应研究也已经展开（J. Appl. Phys. 131, 093903 (2022)；Chin. Phys. B 31, 057402 (2022)）。

图2 VS2-VS超晶格的输运测量及面内反常霍尔效应：a.磁场沿不同方向的霍尔效应；b.不同温度下的面内霍尔效应；c.面内霍尔电导的温度关系；d～f.霍尔电阻随磁场方向的变化关系

2022年8月31日，相关研究工作以“具有面内反常霍尔效应的异维超晶格”（"Heterodimensional superlattice with in-plane anomalous Hall effect"）为题，在线发表于《自然》（Nature）；北京理工大学周家东教授、北京大学物理学院2020届博士毕业生章文杰（现为德国马克斯·普朗克微结构物理研究所博士后）、大阪大学Yung-Chang Lin研究员和北京理工大学物理学院2018级博士研究生曹晋为共同第一作者，周家东、姚裕贵、Kazu Suenaga、吴孝松和刘政为共同通讯作者。该项工作由吴孝松课题组发起，首先观察到材料的面内反常霍尔效应并用透射电镜进行初步的结构表征，由此发现样品的晶体结构不同于任何已知的硫钒化合物；随后，Kazu Suenaga课题组用精细的透射电镜实验确定了材料的结构；刘政课题组生长出样品，并根据晶体结构提出“异维超晶格”的概念；姚裕贵课题组通过第一性原理计算，证实了面内磁场所致的面外贝里曲率是这种新型霍尔效应的根源。主要合作者还包括来自中国科学院物理研究所、极端条件凝聚态物理安徽省重点实验室、德国马克斯·普朗克微结构物理研究所、南方科技大学、上海大学等机构和高校的研究人员。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等支持。