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近日，北航国新院国际太赫兹科创中心副研究员卢秀芳联合南洋理工大学高炜博教授课题组、香港理工大学杨声远教授课题组、复旦大学肖聪研究员课题组、西湖大学王乃舟研究员课题组、中国科学技术大学、澳门大学等单位，在Rashba材料BiTeBr中实验观测到由洛伦兹斜散射机制主导的非互易磁电输运，并给出了响应系数与纵向电导的四次方标度关系（χ∝σ⁴）。相关成果以“Lorentz skew scattering nonreciprocal magneto-transport”为题在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）杂志。

原文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-026-71789-y

以往非互易磁电输运响应被普遍归因于塞曼耦合主导的非线性效应，对应响应系数与纵向电导的二次方标度（χ∝σ²）。本工作发现的四次方标度对应一种此前未被实验确认的微观机制——洛伦兹斜散射。该机制虽源自杂质散射这一外禀过程，其响应中却反映了费米面上的Berry曲率通量，把外禀的斜散射过程与材料的内禀量子几何性质直接联系起来。研究还通过对不同迁移率器件的系统测量，展示了两种机制随迁移率变化的连续过渡，确认迁移率为决定主导机制的关键参数。由于洛伦兹斜散射响应随弛豫时间的四次方变化，这意味着在高迁移率材料中可以将非互易响应提升若干数量级，为整流器、非线性二极管等器件提供清晰的材料设计依据。

北航国新院卢秀芳副研究员与澳门大学张学津博士为论文共同第一作者；西湖大学王乃舟研究员、复旦大学肖聪研究员、香港理工大学杨声远教授、南洋理工大学高炜博教授为共同通讯作者。北航国新院为论文第一完成单位。

研究背景

在打破空间反演对称性的材料中，电流响应可以同时含有对电场的二次依赖和对磁场的线性依赖，即j^NRMT=χE²B。这一非互易磁电输运现象与晶体对称性以及Bloch电子的量子几何相关，在整流和探测器件方面具有潜在应用。迄今为止，绝大多数非互易磁电输运实验都把响应归因于塞曼耦合机制。磁场通过塞曼项作用于自旋极化的费米面，从而产生非互易响应。在这一图像下，响应系数χ与纵向电导σ之间应当呈现χ∝σ²的二次方关系，实验结果也大多与此一致。

最近，理论方面提出了一种新的机制——洛伦兹斜散射。在该机制中，磁场通过经典的洛伦兹力（而不是塞曼耦合）影响电子在实空间中的运动，Bloch电子的量子几何性质则反映在斜散射的散射率中，与费米面上的Berry曲率相关。理论预言洛伦兹斜散射将给出χ∝σ⁴的四次方标度率——这是非互易磁输运各种机制中弛豫时间幂次最高的项，预期会在高迁移率体系中占主导。但是，这一特征标度此前尚未在实验中被直接观测到。

核心成果

团队首先在BiTeBr单晶生长过程中引入后退火工艺，有效降低了缺陷和成分不均。得到了在2K下的电子迁移率达到约2000 cm² V^-1 s^-1，明显高于此前报道的BiTeBr的迁移率（<500 cm² V^-1 s^-1）。通过二次谐波生成确定晶轴后，在器件周围对称布置12个电极，便于改变电流方向并测量角度依赖。

图1. BiTeBr晶体结构、SHG表征以及非互易磁电输运测量

利用锁相技术在物理性质综合测量系统PPMS的水平旋转杆上测量二次谐波信号，得到的纵向(V_ǀǀ^2ω)和横向(V_⊥^2ω)响应满足非互易磁电输运的基本特征：信号随驱动电流的平方变化、随面内磁场线性变化、在磁场反向时变号。C₃ᵥ对称性限制了横向和纵向响应振幅ΔV_ǀǀ^2ω和ΔV_⊥^2ω几乎不随电流注入方向的变化而改变。实验在1–9T面内磁场范围内均观察到上述行为。

图2. 不同驱动电流与面内磁场下的非互易磁电响应

通过测量2–300K温区内的输运数据，并以纵向电导σ为标度变量分析二次谐波响应系数，团队发现横向和纵向非互易响应系数随σ的对数–对数斜率分别为3.93和4.01，与四次方标度高度一致。霍尔测量结果表明，在40–300K范围内载流子浓度变化仅6.5%，意味着σ随温度的变化主要来自电子弛豫时间τ的变化，因此实验结果对应于χ∝τ⁴。进一步对Device #4和Device #5（厚度分别约104 nm和116.5 nm、迁移率均~2000 cm² V⁻¹ s⁻¹）的测量得到了相同的四次方标度，说明这一行为在不同器件之间是稳健且可重复的。

图3. Device #1中NRMT响应系数与纵向电导的四次方标度关系

为理解这一标度行为，团队结合第一性原理计算和包含Rashba自旋轨道耦合及三阶warping项的三维Rashba模型描述BiTeBr A点附近的低能能带。在实验载流子浓度下，费米面位于Weyl点附近，外Rashba带的态密度约为内带的十倍，因此输运主要由外带贡献，这一图像与霍尔测量给出的单带行为以及之前文献关于屏蔽库仑散射为主散射源的结论一致。

基于该有效模型并对屏蔽库仑杂质散射进行半定量估算，团队得到了洛伦兹斜散射机制下非互易响应系数的解析表达式。理论曲线不仅在温度依赖关系上和实验吻合，在数值上也与实验值接近。研究同时排除了另一种可能给出四次方标度的“双斜散射叠加”机制：在BiTeBr的高迁移率参数下，洛伦兹斜散射机制贡献比双斜散射叠加机制贡献大一个量级以上。

图4. 实验与LSK理论的定量比较，以及多个器件中机制随迁移率的过渡

为系统考察机制过渡的连续行为，团队制备并测量了不同BiTeBr器件，其2K迁移率覆盖约420–2000 cm² V⁻¹ s⁻¹的范围。高迁移率器件的NRMT几乎完全σ⁴项主导，对应洛伦兹斜散射机制；低迁移率的则由σ²项贡献，对应塞曼机制，与此前Ideue等在BiTeBr上的报道[Nat. Phys. 13, 578 (2017)]一致；处于中间迁移率的器件同时包含两种机制贡献。这一系列测量把迁移率确认为决定非互易磁电输运主导机制的关键参数。

应用与展望

由于洛伦兹斜散射机制中响应系数随弛豫时间的四次方变化，其在弛豫时间长、费米面Berry曲率显著的拓扑材料中预期会被进一步增强。石墨烯超晶格、Weyl半金属等体系的τ可达10–100ps，是探索更大洛伦兹斜散射响应的合适平台。需要说明的是，洛伦兹斜散射机制本身并不依赖强自旋轨道耦合，因此在自旋轨道耦合较弱的拓扑系统中也可能起作用。该工作为高效率整流器、非线性二极管等器件的设计提供了一条不同于塞曼机制的思路。

（审核：董卓宁 陶来发 吴晓君）