新型磁性半导体为反常霍尔效应（AHE）提供新视角

像电子这样的带电粒子在电场和磁场的影响下运动时，可以表现出相互影响的方式。例如，当磁场垂直于载流导体的平面施加时，内部流动的电子由于磁力而开始偏离侧面，很快，导体上出现了电压差。这种现象被称为"霍尔效应"。 然而，霍尔效应并不一定需要摆弄磁铁。事实上，它可以在具有长程磁秩序的磁性材料中直接观察到，如铁磁体。

科学家将这种现象命名为"反常霍尔效应"（AHE），它似乎是霍尔效应的一个近亲。然而，它的机制要更复杂一些。目前，最被接受的一种说法是，AHE是由电子能带的一种被称为"贝里曲率"的特性产生的，它是由电子的自旋和它在材料内部的运动之间的相互作用产生的，更常见的是"自旋-轨道相互作用"。

磁性排序对AHE来说是必要的吗？最近的一个理论表明并非如此。"理论上已经提出，即使在磁秩序消失的温度以上，也有可能出现大的AHE，特别是在具有低电荷载流子密度、电子间强交换作用和有限自旋手性的磁性半导体中，这与自旋方向相对于运动方向有关，"东京工业大学（Tokyo Tech）的副教授内田博士解释说，他的研究重点是凝聚态物理。

出于好奇，内田博士和他在日本的合作者决定对这一理论进行测试。在《科学进展》上发表的一项新研究中，他们研究了一种新的磁性半导体EuAs的磁特性，该材料只知道有一个奇特的扭曲三角形晶格结构，并观察到23K以下的反铁磁（AFM）行为（相邻的电子自旋排列在相反的方向）。此外，他们观察到，在有外部磁场的情况下，该材料的电阻随温度急剧下降，这种行为被称为"巨大的磁电阻"（CMR）。然而，更有趣的是，CMR甚至在23K以上也被观察到，在那里AFM的秩序消失了。人们很自然地理解，在EuAs中观察到的CMR是由稀释的载流子和局部Eu2+自旋之间的耦合引起的，这种耦合在很大的温度范围内持续存在。

然而，真正夺人眼球的是霍尔电阻率随温度的上升，它在70K的温度下达到顶峰，远远高于AFM排序温度，这表明在没有磁性排序的情况下，大型AHE也是可能的。为了了解是什么导致了这种非常规的AHE，研究小组进行了模型计算，结果显示，这种效应可以归因于三角晶格上的自旋簇对电子的倾斜散射，在这种"跳跃制度"下，电子不流动，而是在原子之间"跳跃"。

这些结果使我们在理解磁性固体内部电子的奇怪行为方面更近了一步。新发现有助于阐明三角晶格磁性半导体，并有可能打开一个新的研究领域，即针对稀释的载流子与非常规的自旋有序性和波动的耦合。

与重要半导体相容的高自旋极化率磁性材料被认为是未来纳米尺度上的自旋电子器件的理想组件，但是这就要求当器件尺寸降到纳米尺度时相应材料仍然具有高自旋极化率和优良的结构和性能稳定性。在这方面，与III-V或II-VI半导体相容的半金属(half-metallic)铁磁体明显优于稀磁半导体，因为尺度降到纳米量级后稀磁半导体内磁性原子太少而导致性能下降，甚至消失。探索合适的半金属铁磁材料显得至关重要。

物理所刘邦贵研究员与牛津大学David G Pettifor教授合作，在这方面取得了显著的进展。他们先期用准确的第一原理密度范函理论方法首先证明：闪锌矿结构的CrSb(Physical Review B 67, 172411 (2003)；cond-mat/0206485)，以及MnBi(Physical Review B 66,184435 (2002))具有良好的半金属铁磁性，并且研究了相应半金属铁磁性的形成机理。在此基础上，他们基于准确系统的电子结构和形变结构计算进一步证明：三个过渡金属硫系化合物(chalcogenides)CrTe、CrSe和VTe的闪锌矿结构相是优质半金属铁磁体，不仅具有很宽的半金属能隙(half-metallicgap)，相对于基态相的总能还不高，大大低于闪锌矿结构的过渡金属V族化合物(pnictides)的相对总能，同时，其结构稳定性明显优于已经较好地合成出来的CrAs闪锌矿结构薄膜(最大约5个单胞层厚)。很宽的半金属能隙意味着可能在较高温度下得到高自旋极化率，这已被德国Kuebler教授的最新计算所证明；相对总能低并且结构稳定性好，使得足够厚度(约5～50个单胞层)的薄膜材料或尺度足够大的纳米结构易于通过外延生长技术获得。这些优异特性使得这些材料将很可能在纳米尺度的自旋电子学器件中得到实际应用。

该项研究得到973“纳米材料与纳米结构”项目(G1999064509)、基金委优秀团队项目(60021403)支持，这项研究成果发表在2003年7月15日出版的美国《物理评论快报》PhysicalReviewLetters91，037204(2003)上。进一步的研究正在进行之中。

半导体的技术实际上是基于由量子力学派生出来的能带论，或者固体的能带论跟量子力学里的一些重要的结论。

量子力学除了应用到原子、分子、原子核、粒子等微观体系外，它还被应用到固体领域等复杂体系，用它解释了铁磁体、铁电体等物质的电磁性质，也解释了为什么有些材料是绝缘体，有些是导体。

尤为重要的是，解释了为什么某些材料是半导体。而且根据量子力学，在这些半导体中，可以有电子导电、空穴导电等等区别，从而又提出半导体的二极管、三极管等等的观念。后来又发展为集成线路。大规模集成线路的组合，成为现代电子计算机的技术基础。可以说，没有量子力学，就没有以电脑控制占主导地位的现代化工业。

---