10月22日，国家脉冲强磁场科学中心李亮、朱增伟、李小康团队在国际学术期刊《科学》（Science）发表题为“Thermodynamic origin of the phonon Hall effect in a honeycomb antiferromagnet”的研究论文。研究团队以蜂窝晶格反铁磁绝缘体NiPS₃为对象，通过多样品对比、精密热输运测量和磁性表征，系统考察了声子热霍尔响应的来源：其强弱与声子平均自由程无直接关联，却与面内磁各向异性显著相关；结合横向热导率的温度标度行为及声子—磁振子能带交叉分析，研究排除了杂质、缺陷等外禀散射作为主要来源的可能，将NiPS₃中声子热霍尔效应的起源指向材料内禀的热力学性质，为持续近二十年的内禀—外禀之争提供了关键实验判据，也为理解量子自旋液体候选材料中的热霍尔信号提供了新参照。

一、声子热霍尔效应的内禀—外禀机制之争

霍尔效应，指载流子在磁场中运动时发生偏转、进而在材料两侧形成电势差的现象，是窥探固体微观世界的一把“金钥匙”。百余年来，霍尔效应家族“群星闪耀”：量子霍尔效应和分数量子霍尔效应分别获得1985年和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依赖带电粒子——电子。

在固体的微观世界，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；固体中的原子之间会相互传递振动，而这种晶格振动的量子化激发就是声子。金刚石、陶瓷这类绝缘体的导热，主要就是依靠声子。热量传递过程蕴藏着丰富的物理信息。与电输运主要由带电电子承担不同，热输运的载流子还包括电中性的声子、磁振子等准粒子。当热流沿材料中某一方向流动、且磁场垂直于热流时，材料在同时垂直于热流与磁场的方向上产生横向温差，这种现象称为热霍尔效应。该效应为研究绝缘体中的电中性激发及其输运提供了独特途径。

长久以来，科学界始终认为：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。

二、NiPS₃中的显著响应与外禀散射机制的排除

为了破解谜题，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α-RuCl₃一样，拥有蜂窝晶格，基态也是锯齿形反铁磁序。更重要的是，依托我校的脉冲强磁场大科学装置，团队发现它的磁序更“皮实”，在最高55 T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。

团队利用自主搭建的纵向、横向温差精密探测系统，在14 T、约25 K条件下测得NiPS₃的横向热导率κ_ab达到约-1630 mW/Km，表现出显著的声子热霍尔响应，并创下磁性绝缘体中声子热霍尔响应的最高纪录；其热霍尔角落在声子热霍尔效应的典型量级范围。更关键的证据来自多样品对比：五个样品的纵向热导率κ_aa基本一致，说明各样品的声子平均自由程和常规散射条件无明显差异；然而，横向热导率κ_ab相差近一个数量级，且与面内磁各向异性呈显著正相关。这表明，热霍尔响应的强弱并非由杂质或缺陷散射决定，而取决于材料本身与热力学性质密切相关的本征性质。磁化是反映材料磁性的重要热力学量，可由磁自由能对外加磁场的偏导数表征；这种“热霍尔响应随热力学量变化”的规律，与量子霍尔效应中Streda公式所揭示的内禀逻辑一致，为内禀机制提供了关键实验判据。

图1  NiPS₃中纵向与横向热导率及面内磁各向异性的样品依赖性

三、温度标度行为与声子—磁振子杂化证据

研究团队进一步分析了横向热导率的温度依赖：κ_ab/T随温度呈指数衰减，特征温度T*约为12 K，其对应能量尺度与NiPS₃中磁振子—声子能带交叉点之间的能量间距相当。理论分析显示，在布里渊区M点附近存在多处声子—磁振子能带交叉；两者耦合后打开能隙，原本交叉的能带混合并形成新的杂化模式，使电中性的声子获得对磁场的响应能力，从而发生横向偏转。该机制并非源于磁振子作为热载流子的直接贡献：实验发现，NiPS₃的纵向热导率在奈尔温度附近无明显异常，0 T与14 T下的曲线也几乎重合，说明磁振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。因此，这里需要区分两个不同层次的问题：纵向热流主要由谁携带，以及横向偏转由什么机制调控。现有结果表明，前者由声子主导，磁振子几乎不携热；后者则依赖于声子—磁振子耦合——磁振子并非作为热载流子直接贡献横向信号，而是通过杂化改变声子的能带结构，使声子获得对磁场的响应能力。

图2  NiPS₃中磁振子-声子能带杂化与孪晶堆叠方式

四、对量子自旋液体候选材料热霍尔效应的参照意义

综合多样品对比、热力学关联、温度标度与能带结构分析，研究团队为NiPS₃中声子热霍尔效应的内禀起源提供了相互印证的实验与理论依据，并建立了一套通过比较纵向输运、横向响应与热力学参数来辨析内禀与外禀贡献的研究思路。

此外，该工作也为量子自旋液体候选材料中的热霍尔争议提供了新参照：NiPS₃与α-RuCl₃等材料在晶格和磁序上具有可比性，且NiPS₃的归一化热霍尔响应与部分候选材料处于相近量级，提示这些材料中观测到的热霍尔信号可能包含不可忽略的声子贡献。

华中科技大学为论文第一完成单位。强磁场中心博士生孟庆凯（已毕业）和李小康副研究员为论文共同第一作者；中心李小康副研究员、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教授为论文共同通讯作者。中心博士生刘杰和工程师董超参与了本项工作；粤港澳大湾区量子科学中心赵凌霄研究员参与了本项工作，并提供了单晶样品。

研究团队长期致力于极端条件下的量子输运研究，依托脉冲强磁场大科学装置，近十年来在热霍尔效应领域取得了一系列重要成果：在金属体系方面，团队在Mn₃Sn中首次实验观测到反铁磁金属中的反常热霍尔效应，并在石墨中发现双极性声子曳引热霍尔效应；在绝缘体与半导体体系方面，团队在SrTiO₃中提供了声子热霍尔效应的直接证据，在黑磷中归纳出声子热霍尔效应的普适标度律，并发现转角依赖的平面热霍尔效应。本次工作所采用的高精度热霍尔效应测量方法，正是在这一系列热霍尔研究中逐步发展成熟。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt1992