极低温强磁场量子输运和调控实验站助力发现变维反常霍尔效应
内容速览：
近日，南京大学物理学院王雷教授课题组与上海科技大学刘健鹏副教授课题组、南方科技大学赵悦副教授课题组、南京大学于葛亮教授课题组以及复旦大学谢心澄院士、江华教授课题组紧密合作，在强关联量子物态研究方面取得重要进展。研究团队依托综合极端条件实验装置 C3 极低温强磁场量子输运和调控实验站，利用干式稀释制冷机 911 矢量磁体（三个方向的磁场分别为9T，1T和1T），在最低 10 mK 的极低温条件下开展精密量子输运测量，通过对垂直磁场与平行磁场的原位精确调控，系统分辨了面外和面内轨道磁化对应的霍尔响应，在菱方薄层石墨中观测到一种全新的变维反常霍尔效应。相关成果以 “Transdimensional anomalous Hall effect in rhombohedral thin graphite” 为题，于 2026 年 4 月 29 日在线发表于国际顶级学术期刊 Nature。
利用综合极端条件实验装置 C3 极低温强磁场量子输运和调控实验站的干式稀释制冷机 911 矢量磁体，研究团队在最低 10 mK 条件下，对菱方薄层石墨器件开展了垂直磁场和平行磁场方向的高精度量子输运测量，观测到同时耦合面外和面内轨道磁化的变维反常霍尔效应。该效应表现为霍尔电阻在垂直磁场和平行磁场下均出现显著磁滞回线，突破了传统反常霍尔效应中磁化方向、电流方向和霍尔电场方向彼此垂直的基本图景。尤其是矢量磁体提供的磁场方向可控性，使研究团队能够在同一低温环境和同一器件状态下分别扫描面外与面内磁场，从而更可靠地区分普通面外反常霍尔响应与平行磁场驱动的磁滞信号。C3 实验站提供的极低温、矢量磁场调控和低噪声输运测量能力，为确认这一新型强关联轨道物态提供了关键实验支撑。
背景：
反常霍尔效应是凝聚态物理中的经典输运现象之一，也是理解磁性有序、电子轨道运动和拓扑性质之间关系的重要窗口。传统反常霍尔效应通常与面外轨道磁化相关，并服从磁化方向、电流方向和霍尔电场方向相互正交的关系。
然而，从维度角度重新审视这一问题，可以发现一种长期被忽视的可能性。在严格二维体系中，电子轨道运动主要局限于平面内；而在普通三维体系中，层间相干轨道运动又容易被散射和退相干破坏。真正特殊的是介于二维和三维之间的有限厚度区间：样品已经不是原子级薄层，但又没有厚到完全失去层间相干。在这一“穿越维度”区间中，电子可能同时发生面内和面外相干轨道运动，从而产生同时耦合面内与面外轨道磁化的全新反常霍尔效应。
图1. (a) 二维反常霍尔效应；(b) 三维反常霍尔效应；(c) 变维反常霍尔效应，同时伴随面外和面内的轨道环路电流以及轨道磁化。(d) 常规反常霍尔效应仅表现出面外磁滞；(e) 面内霍尔效应表现为平行外磁场驱动下的线性霍尔响应；(f) 变维反常霍尔效应则在面外和平行磁场下均表现出明显磁滞。
研究内容：
研究团队选取 2～5 nm 厚的菱方堆垛石墨作为研究平台。菱方多层石墨烯具有近乎平坦的低能能带和较高的态密度，外加位移场可进一步调控费米面结构，使电子-电子相互作用显著增强。在这样的体系中，电子的自旋、谷和轨道自由度容易发生自发对称性破缺，并可能形成轨道环路电流和自发轨道磁性。
实验上，研究团队首先在九层菱方石墨烯器件中绘制了载流子密度和位移场二维参数空间中的相图，发现一个特殊区域：该区域位于两个四分之一金属相和一个部分同位旋极化相之间，却几乎不表现出常规的舒布尼科夫–德哈斯振荡，甚至在较高垂直磁场下仍未形成清晰的朗道能级结构，表明其可能是一种由强电子关联稳定的新型基态。
围绕这一异常相，研究团队依托 C3 极低温强磁场量子输运和调控实验站，利用干式稀释制冷机 911 矢量磁体，在最低 10 mK 条件下开展平行磁场和垂直磁场下的系统输运测量。在该工作中，矢量磁体不仅提供了低温强磁场环境，更重要的是允许研究团队精确设定磁场相对于二维器件平面的方向，直接比较 B⊥ 与 B∥ 扫描下的霍尔电阻磁滞行为。实验结果显示，霍尔电阻不仅在垂直磁场下出现磁滞回线，在平行磁场下也出现清晰而显著的磁滞回线。这一结果表明，该体系中的反常霍尔效应同时耦合面外和面内轨道磁化，研究团队将其命名为变维反常霍尔效应。
进一步地，通过不同厚度器件的系统比较以及理论计算，研究团队揭示了该效应的物理来源：只有在有限的中间厚度窗口内，电子才能同时保持面内和面外的相干轨道运动；在合适的载流子密度和位移场条件下，电子-电子相互作用驱动体系自发破缺时间反演、旋转和镜面对称性，形成特殊的轨道铁磁金属态。在这一物态中，面外环路电流与面内环路电流可以同时出现，并分别对应面外和面内轨道磁化。C3 实验站配置的快速换样装置，也为不同厚度、不同器件的连续测试和实验参数优化提供了便利，有助于提高多器件对比与结果重复性验证的效率。
研究团队还发现，平行磁场与垂直磁场对应的磁滞信号具有不同的消失温度：与面内轨道磁化相关的平行场磁滞在约 1.6 K 时消失，而与面外磁化相关的垂直场磁滞则可持续到约 4 K，说明两类磁化具有不同的内禀机制。
图2. (a) n-D相图中变维反常霍尔效应对应区域（绿色）。(b)、(c)扫描平行磁场时测得的霍尔电阻Rxy和扫描垂直磁场时测得的Rxy得到的磁滞回线。(d)理论计算得到的费米面，其中中间的费米面是长程库仑作用驱动形成的新月形费米面轨道铁磁态，是产生变维反常霍尔效应必要条件。
总结：
以上研究工作的关键低温量子输运实验依托综合极端条件实验装置 C3 极低温强磁场量子输运和调控实验站开展。C3 实验站的干式稀释制冷机 911 矢量磁体提供了最低 10 mK 的极低温测试环境和矢量磁场调控能力，为精确测量平行磁场与垂直磁场下的霍尔电阻磁滞信号、确认变维反常霍尔效应的内禀起源提供了关键支撑。特别是，矢量磁体对磁场方向的精确控制，是识别该效应同时耦合面外和面内轨道磁化的核心实验条件；快速换样装置则为多器件、不同厚度样品的高效测试提供了重要便利。
该工作首次从实验上揭示了一个不同于传统二维和三维极限、由有限厚度与层间相干共同定义的“穿越维度”电子输运新范式，发现了一种全新的反常霍尔效应和强关联轨道物态。该成果体现了综合极端条件实验装置在支撑量子材料、新型拓扑物态和强关联电子体系前沿研究中的重要作用。
该工作实验部分由南京大学王雷课题组、南方科技大学赵悦课题组和南京大学于葛亮课题组完成，理论部分主要由上海科技大学刘健鹏课题组完成，复旦大学谢心澄院士和江华教授给予了重要理论指导。南京大学物理学院为论文第一完成单位。南京大学物理学院李庆鑫博士、南方科技大学侯凡华博士和上海科技大学李敏博士为论文共同第一作者；南京大学物理学院王雷教授、上海科技大学刘健鹏副教授、南方科技大学赵悦副教授以及南京大学于葛亮教授为共同通讯作者。
