华中科技大学强磁场中心极端量子输运团队在石墨热霍尔效应研究上取得进展
2026/02/06
13（通讯员 向桥钞）2月3日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了我校国家脉冲强磁场科学中心极端量子输运团队的最新研究成果，论文题为“半金属石墨中由双极声子曳引主导的霍尔热导率”（Thermal Hall Conductivity of Semimetallic Graphite Dominated by Ambipolar Phonon Drag）。我校为论文第一完成单位，中心博士生向桥钞为第一作者，李小康副研究员、朱增伟教授以及法国巴黎高等物理化工学院Kamran Behnia教授为共同通讯作者，博士生郭晓东参与了本项工作。
热霍尔效应是指在垂直磁场作用下，沿温度梯度方向流动的热流会产生横向热输运的现象，其横向热导率记为κxy。近年来研究发现，除电子外，声子、磁振子等电中性准粒子也可产生显著热霍尔信号，使其成为探索材料中新奇物态和能量输运机制的重要实验手段。石墨作为一种典型半金属，具有浓度相等、迁移率极高的电子和空穴，且晶格热导率极为突出，是研究电子-声子相互作用的理想体系。
研究团队设计并搭建了高精度多通道输运测量系统（图a），对高定向热解石墨（HOPG）开展了系统的电、热及热电联合测量。通过对称布置的多组热电偶，实现了横向温差的同步采集与交叉验证，显著提升了信号的可信度与准确度。本研究首次在石墨中观测到显著的热霍尔效应，并取得以下重要发现：实验测得的霍尔热导率在28K时高达818.9mW/Km，远超基于电霍尔数据和魏德曼-弗兰兹定律估算的纯电子贡献（图b、c），相应霍尔洛伦兹数达67L0，创下金属体系最高纪录。此外，κxy在约100K处发生符号反转，且其温度依赖行为与纵向热导率κxx明显不同（图d），表明该效应并非来源于单纯的声子或电子输运。通过综合分析热电与热输运数据，研究团队提出该异常增强的热霍尔效应来源于“双极性声子曳引”机制（图e）：在温度梯度与磁场的共同作用下，横向电荷流（由能斯特电导αxy描述）与声子发生强动量交换，从而拖曳声子产生巨大的横向热流。该效应的符号取决于与声子相互作用占主导的载流子类型，低温下由电子主导，高温下转为空穴主导，这一转变成功解释了κxy随温度反转的实验现象，并与塞贝克系数的测量结果一致（图f）。该工作表明，在同时具备高迁移率双极性载流子与高导热声子的材料中，电子-空穴-声子之间的流体动力学相互作用可导致超越经典理论预期的宏观热输运行为，为理解复杂体系中的热霍尔效应提供了新的物理视角与机制模型。
（a）多通道输运测量示意图；（b）、（c）霍尔热导率的实测值与理论电子贡献对比；（d）热导率及载流子迁移率的温度演化；（e）双极性声子曳引机制示意图；（f）声子曳引塞贝克系数与实验数据的比较。
该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金及湖北省自然科学基金等项目支持。
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