国家脉冲强磁场科学中心团队成果：不带电，磁场竟让它跑偏！华科人破解20年物理谜题

皮球滚过地面，磁铁按理说根本偏转不了它。绝缘体中负责传递热量的声子，就如同这颗皮球，不带电荷，本应该对磁场“无动于衷”。可实验发现，在强磁场环境下，代表声子的这颗“皮球”却实实在在发生了偏转。

这一反常识的实验现象，自2005年被捕捉到蛛丝马迹起，就引发了长达20年的激烈争论：偏转究竟源于“皮球”（声子）本身，还是“路面坑洼”（样品杂质）等带来的外在干扰？

华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心团队通过系列研究，把声子热霍尔效应的来源指向材料本身的内禀机制——也就是说，偏转的根源在声子本身，为这场旷日持久的争论提供了关键判据。当地时间10月22日，成果以“蜂窝反铁磁体中声子霍尔效应的热力学起源”（Thermodynamic origin of the phonon Hall effect in a honeycomb antiferromagnet）为题发表于《科学》（Science）杂志。

华中科技大学为论文第一完成单位。国家脉冲强磁场科学中心博士生孟庆凯（已毕业）和李小康副研究员为共同第一作者；李小康、朱增伟教授、李亮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。

霍尔效应，指运动的载流子在磁场中发生偏转进而形成电势差的现象，是窥探固体微观世界的一把“金钥匙”。早在量子力学诞生之前，科学家就凭借这一效应判断载流子的电荷符号、估算其浓度，并研究电子的运动规律，得以“看见”导体内部那个原本不可见的世界。

百余年探索，霍尔效应家族“群星闪耀”：量子霍尔效应、分数量子霍尔效应分别斩获1985年、1998年诺贝尔物理学奖，我国科学家薛其坤院士等发现的量子反常霍尔效应同样源自这一家族。然而，这些光环无一例外都属于带电粒子——电子。

在固体的微观世界，并非只有电子在“忙碌奔波”。声子是与电子并肩的另一大主角，它参与热量传递、电声耦合、结构相变等多种物理过程。声子并不是“摸得着”的实体颗粒。就像声音通过空气分子的振动传播一样，固体中的原子也会相互传递振动，这些晶格振动的量子化激发，就是声子。金刚石、陶瓷这类绝缘体之所以能够导热，主要靠的就是声子。

值得注意的是，热量传递同样蕴藏着丰富的物理信息。当热流沿一个方向通过材料、且磁场垂直于热流时，若在同时垂直于热流和磁场的方向上出现温差，便形成了热霍尔效应。

长久以来，科学界默认：声子是一种电中性玻色子，无法与磁场发生相互作用，不会产生热霍尔效应。2005年，科研人员首次观测到疑似声子热霍尔效应的实验信号，疑问随之而来：这究竟是声子本身固有的内禀行为，还是杂质、晶体缺陷等外禀散射机制在起作用？20年来，谜题始终悬而未决。

想要破解谜题，既需要合适的研究材料，更离不开极端实验条件。我校团队将目光锁定反铁磁绝缘体NiPS3。这种材料与热门的量子自旋液体候选材料一样，拥有蜂窝晶格，基态也是锯齿形反铁磁序。更重要的是，依托国家脉冲强磁场科学中心，科研人员发现它的磁序更“皮实”，在最高55特斯拉的脉冲强磁场下仍未观测到磁相变，这为开展强磁场下的精密热输运测量提供了稳定的平台。

“皮球”已经就位，只待测试它在磁场中的“路径”。团队利用自主搭建纵向、横向温差精密探测系统，对多块单晶样品开展了对照测量。这些样品的纵向热导率和比热均相差无几，相当于“路况”基本一致，从而把外在干扰压到最低。

出乎意料的是，即便“路况”基本一致，五块样品的“皮球”偏转程度仍最大相差近十倍；其中偏转最大的样品，创下磁性绝缘体中声子热霍尔响应的最高纪录。更关键的是，偏转的大小与声子平均自由程并不相关，却与面内磁化各向异性紧密关联。磁化是反映材料磁性的重要热力学量，可由磁自由能随外加磁场的变化率表征。

这种“热霍尔响应跟着热力学量走”的规律，暗示偏转不是杂质、缺陷“碰巧”造成的，而更可能源于材料本身的内禀属性。与此同时，NiPS3的纵向热导率在奈尔温度附近没有明显异常，0特斯拉与14特斯拉下的曲线也几乎重合。这说明磁振子，一种自旋波的量子化玻色型准粒子，对纵向热传导的贡献微乎其微，热量几乎全部由声子携带。进一步分析温度依赖后发现，横向热导率随温度呈指数衰减，特征温度约12开尔文，对应的能量尺度与磁振子和声子能带交叉点的能量间距相当。

这一吻合并非偶然。机理由此浮出水面：NiPS3中磁振子能带与声子能带本就存在多处交叉，两者耦合后打开能隙，原本交叉的两条能带“混”成新的杂化模式，使电中性的声子获得了对磁场的“响应能力”，从而发生偏转。

上述结果从多个角度表明，声子热霍尔效应源于材料的内禀机制，而非杂质、缺陷等外禀散射。

“基础科学的魅力，就在于不断打破固有认知。”一百多年前，霍尔效应揭示了磁场对运动电荷的偏转作用，为电输运研究提供了一把关键“标尺”。如今，科学家们借助大科学装置，看见固体内部的声子也会在磁场下拐弯。这一发现拓展了霍尔效应家族的认知版图，把声子热霍尔效应的起源指向声子本身的内禀机制，也让学界重新审视声子与磁场相互作用的理论框架，并为理解其他量子材料中的声子行为提出了新的开放问题。

国家脉冲强磁场科学中心主任李亮表示，霍尔效应是洞察微观量子态的关键探针。量子霍尔效应让我们发现了电子的新秩序（拓扑量子态）；而声子霍尔效应则是在告诉我们：不只有电子，声子这些“中性粒子”也拥有一个同等精彩、甚至更神秘的量子世界。

内容来源：华中科技大学