近日，同济大学物理科学与工程学院张宇钟教授、姜秀财博士后、李淼淼博士在二维反铁磁—铁电异质结构中实现多种霍尔效应可控电学调控方面取得重要进展。研究提出了一种基于选择性翻转铁电极化调控霍尔效应的新机制，可在异质结中实现层霍尔效应、层自旋霍尔效应、与谷—层自旋霍尔效应之间灵活切换。相关成果以“Multiple Hall Effects in Antiferromagnetic-Ferroelectric Heterostructures”为题发表于《纳米快报》（Nano Letters）。

电子具有自旋、电荷、谷以及层等多种自由度，这些自由度能够产生不同类型的霍尔效应，包括自旋霍尔效应、反常霍尔效应、谷霍尔效应以及层霍尔效应。在这些效应中，谷霍尔效应与层霍尔效应作为霍尔效应家族中的新成员，因其通常出现在具有自旋轨道耦合且空间反演对称性或层对称性被破缺的层状铁磁材料中，而备受关注。它们的发现也推动了谷电子学与层电子学的发展，这超越传统电子学与自旋电子学。与铁磁材料相比，反铁磁材料具有固有优势，例如对外磁场的鲁棒性、超快写入速度以及无杂散场，使其在层电子学和谷电子学应用中极具吸引力。然而，与交替磁体不同，传统的反铁磁体由于空间反演对称性与时间反演对称性的共同作用而呈现自旋简并，这使得对这类霍尔效应的操控极具挑战性。

针对这一难题，研究团队提出在A型双层反铁磁体上下引入两层铁电单层的异质结中，通过铁电极化方向和位置决定的层依赖外势，实现对反铁磁能带的差异化调控。紧束缚模型分析表明，选择性翻转顶部或底部铁电层的极化方向，可在异质结中实现四种构型的切换：两种平行铁电极化构型中，PT对称性破缺使得自旋极化电子在特定层向边缘偏转，实现自旋极化的层霍尔效应；两种反平行构型中，对称性恢复保证了自旋简并，但不相同的铁电-磁性能带相对位移使得一种构型保持谷-层自旋霍尔效应，另一种则因谷态被铁电平凡能带覆盖而呈现金属化的层自旋霍尔效应（图1）。

图1、选择性翻转铁电极化实现多种霍尔效应调控示意图

图2、Al₂S₃/双层2H-FeBr₂/Al₂S₃多铁范德华异质结的层投影能带图

图3、四个构型的（自旋）贝里曲率（上行）、霍尔效应示意图（中行）（自旋）霍尔电导（下行）

第一性原理计算进一步验证了该机制可以在Al₂S₃/双层2H-FeBr₂/Al₂S₃多铁范德华异质结中实现（图2、图3）。该研究不仅为多种霍尔效应的全电学调控提供了新思路，也为层状反铁磁材料在新型电子学、谷电子学器件中的应用开辟了新途径。

姜秀财博士为论文第一作者，张宇钟教授为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、上海市科委基础研究等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03053