霍尔效应（Hall effect）是指电流通过一个位于磁场中的导体时，在垂直于磁场和电流的方向上产生横向电压。这一现象由美国物理学家霍尔（E. H. Hall）于1879年发现。随后他进一步发现，铁磁性导体的霍尔效应远大于非磁性材料，不施加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场下的霍尔效应被称为反常霍尔效应（Anomalous Hall Effect）。反常霍尔效应是磁性材料的基本输运性质之一，对开发高可调自旋电子器件具有重要意义，需要利用电子的自旋轨道耦合和Berry曲率来解释。近年来，过渡金属氧化物的反常霍尔效应受到学术界的广泛关注，且反常霍尔效应可以更“反常”，即横向电阻率除来自普通霍尔效应和反常霍尔效应的贡献外，还有其它霍尔效应的贡献，被称为拓扑霍尔效应（Topological Hall effect），表现为霍尔电阻率曲线中的“尖峰”。然而，霍尔效应中“尖峰”的产生机理一直备受争议，原因是：其可能起源于非共线磁结构（如斯格明子）导致的拓扑霍尔效应，也可能是两种反常霍尔效应的叠加效果。
许小红教授课题组周国伟副教授和康鹏华博士，以反尖晶石结构的亚铁磁性导体NiCo2O4（NCO）材料为研究对象，采用脉冲激光沉积系统制备了高质量的外延薄膜，研究不同厚度NCO薄膜的磁电性质。磁性和电输运结果表明，不同厚度的NCO薄膜均具有金属性且表现出垂直磁各向异性。霍尔效应结果表明，NCO薄膜的反常霍尔效应与薄膜厚度和温度有很强的相关性（图1），特殊地是，7 nm NCO薄膜的反常霍尔效应符号随温度降低发生反转，这是由于NCO薄膜的反常霍尔效应由本征Berry曲率和杂质散射共同决定。此外，在矫顽场附近出现“尖峰”，采用双通道反常霍尔效应模型研究其来源，结果表明是由两项反常霍尔效应叠加产生（图2）。进一步采用X射线光电子能谱研究不同厚度NCO薄膜中不同价态Ni离子的含量，结果表明较薄的NCO薄膜中的Ni2+离子更多；此外，较薄的薄膜受衬底的压应力作用更强，均会导致薄膜中相分离的产生，因此，7 nm NCO薄膜的反常霍尔效应符号反转且表现出“尖峰”特征。本工作为研究NCO薄膜的反常霍尔效应提供了新思路。
相关成果以《Observation of two-channel anomalous Hall effect in perpendicularly magnetized NiCo2O4 epitaxial films》为题，发表在Phys. Rev. B 108, 094442 (2023)期刊上。
全文链接：https://journals.aps.org/prb/supplemental/10.1103/PhysRevB.108.094442
图1 (a-c)不同厚度NCO薄膜的反常霍尔效应与温度的依赖性；(d-f)从左图提取的不同厚度NCO薄膜的矫顽力(HC)和霍尔电阻率的绝对值(|ρxy|)与温度的依赖性。
图2 (a) 7 nm NCO薄膜的反常霍尔效应与温度的依赖性；(b-d)不同温度下NCO薄膜的双通道反常霍尔效应模型拟合结果；(e) 两种反常霍尔效应的矫顽力(HC)和霍尔电阻率(ρxy)与温度的依赖性。
