松山湖材料实验室阿秒科学中心研究员陈朝宇团队同合作者，在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助下，系统研究了铁磁性外尔半金属材料PrAlSi的低能电子结构和霍尔输运行为随温度的变化，观测到长程铁磁有序对能带中的外尔费米子和反常霍尔输运行为影响的对立表现。近日，相关成果发表于《通讯-材料》。

在凝聚态物理领域，高温超导机理被誉为“皇冠上的明珠”，而量子霍尔输运同样是核心科学问题之一。步入新世纪，量子自旋霍尔效应与量子反常霍尔效应研究持续升温，推动该领域形成以能带拓扑、拓扑材料为核心语言的新研究范式。值得一提的是，中国科学家在量子反常霍尔效应的理论与实验探索中发挥了开创性作用。

PrAlSi的电子结构和霍尔效应随温度的演化。研究团队供图

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以量子反常霍尔效应为例，当前量子化电导平台的实现主要依托两种途径：一是磁性元素掺杂，二是利用本征磁性拓扑绝缘体二维薄膜（即二维陈绝缘体）。在陈绝缘体中，长程铁磁序与拓扑非平庸体带共存，能带呈现体带绝缘特性，而拓扑边缘态导电且仅存在单一自旋通道（时间反演对称性破缺）。将这一二维模型拓展至三维磁性拓扑绝缘体，能带表现为体带绝缘，拓扑表面态狄拉克点因磁性能隙打开而发生改变。这一现象直接源于长程磁序对时间反演对称性的破坏，导致能带产生磁效应。进一步延伸至三维磁性外尔半金属，磁效应则体现为外尔锥的产生与移动，同时伴随长程铁磁序建立时磁场下霍尔电阻电导的回滞现象。

然而，现实中的磁性拓扑材料却展现出与之相悖的异常行为。以本征磁性拓扑绝缘体Mn-Bi-Te体系为例，理论上长程磁有序应破坏时间反演对称性，进而在拓扑表面态狄拉克锥中打开能隙。但陈朝宇团队及合作者在反铁磁基态下的MnBi₂Te₄单晶实验中，却意外观测到无能隙的拓扑表面态。通过系统性实验与理论分析，研究团队证实这一异常现象具有普遍性，揭示了磁性拓扑物态中能带特征磁效应的缺失。

为深入探究这一矛盾现象，陈朝宇团队与南方科技大学教授刘奇航团队、南阳师范学院副教授何俊宝团队、中国科学院物理研究所研究员刘恩克团队，以及上海光源刘正太、叶茂、姜琦，北京正负电子对撞机王嘉鸥、刘晨，日本广岛大学同步辐射中心Masashi Arita、Kenya Shimada等合作，基于本征磁性拓扑材料RAlX体系，系统研究了PrAlSi在顺磁态和铁磁态不同温度下能带特征中外尔费米子的演化和霍尔输运中反常霍尔电导和正常霍尔电导的演化，发现磁有序对2种霍尔输运的影响显著而对外尔费米子的影响小到无法观测。

实验结果显示，磁有序对两种霍尔输运行为的影响显著，但对外尔费米子的影响却微弱到难以观测。角分辨光电子能谱测量表明，PrAlSi的低能能带与第一性原理计算得到的外尔锥特征结构高度吻合，但在顺磁相至铁磁相转变过程中，能带并未表现出预期变化。这一现象揭示了体系电子结构与长程磁序之间的解耦，可能源于低能能带与局域磁矩间较弱的相互作用。与之形成鲜明对比的是，电阻、磁阻、反常霍尔电导及正常霍尔电导均表现出明显的温度依赖性，并在居里温度处发生跳变，充分说明磁有序对电子输运具有显著影响。

该研究首次在磁性拓扑材料体系中揭示了能带拓扑与霍尔输运之间的解耦现象，凸显了开发能够精准描述局域磁矩与能带相互作用的理论与实验工具的紧迫性。这一发现促使科研人员重新审视磁、拓扑与输运三者之间的复杂关系，为未来磁性拓扑材料研究开辟了新的方向，有望推动相关领域理论框架与实验技术的创新发展。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s43246-025-00816-0