十倍差异指向晶体本身
五块由同一种绝缘材料制成的晶体，沿长度方向的导热能力相同，但它们对磁场的横向响应相差约十倍。这一对比是关于 NiPS3 的研究的核心发现。这种层状磁性晶体有助于理解一个可追溯到 2005 年的物理学难题：电中性的振动所传递的热量为何会在磁场中发生横向偏转。
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这项合作研究汇集了中国武汉华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心和法国巴黎高等工业物理化学学院（ESPCI Paris）的研究人员。他们的测量结果表明，热量的横向响应与晶体的磁性有关，而非由热载流子两次碰撞之间行进的距离决定。
研究人员将这种关联解读为本征机制的证据，也就是说，其根源在于材料自身磁性与振动之间的耦合行为。这一发现为科学家提供了一种实验检验方法，可将这种解释与杂质或其他散射中心产生横向响应的机制区分开来。
这篇关于 NiPS3 的研究论文的第二版于 2024 年 10 月 1 日发布。论文记录的横向热导率峰值约为每米每开尔文 -1.63 瓦，出现在 25 开尔文、14 特斯拉条件下。该温度约为零下 248 摄氏度。负号表示按照实验的测量约定，横向响应的方向与正方向相反。
这项研究于北京时间 2026 年 10 月 23 日、即当地时间 10 月 22 日，在《科学》杂志发表时对外公布，并被称为封面文章。论文详细的实验论证已见于 2024 年的稿件。
没有电荷，热量如何偏转？
普通的电学霍尔效应发生时，磁场会将运动中的电荷推向一侧。电荷在导体两侧积聚，从而产生一个与原电流方向垂直的电压。
NiPS3 是一种电绝缘体。热量主要通过晶格振动在其中传递，晶格是原子有序排列而成的结构。物理学家把这些振动的能量包称为声子，类似于把光的能量包称为光子。
声子携带能量，却不携带净电荷，因此不会受到使电子运动轨迹弯曲的传统磁力。然而，当热量沿绝缘晶体流动、磁场垂直于热流方向施加时，晶体两侧仍可能出现温差。科学家将这一现象称为声子热霍尔效应。
2005 年，研究人员首次发现了这一效应的实验迹象。此后的核心争论一直围绕其机制展开：横向响应究竟源于晶体的集体行为，还是源于声子遇到杂质、缺陷或其他扰动时发生的不对称散射？两种解释都能说明测得的信号，但它们将信号归因于不同的过程。
强磁场测量揭示了什么
NiPS3 由镍、磷和硫组成。镍原子形成蜂窝状层，在低于 155 开尔文、约零下 118 摄氏度时，其磁矩会形成锯齿状反铁磁排列。反铁磁性意味着磁矩以相反方向排列，而不是全部指向同一方向。
研究团队通过化学气相输运法生长出单晶，并用一个加热器和三个热电偶同时测量晶体沿面内方向及横向的热流。这样，研究人员就能比较主要热流与较小的横向温度响应。
团队使用脉冲磁场，在 4.2 开尔文下将磁化测量扩展至 55 特斯拉。在这一范围内没有出现磁相变。论文所述的热霍尔测量最高达到 14 特斯拉；在这一范围内，横向响应随外加磁场线性变化。
主热导率峰值为每米每开尔文 274 瓦。在零场和 14 特斯拉下，其温度依赖性几乎相同，且峰值温度与横向热导率的峰值温度一致。研究人员指出，声子是主要的热载流子，磁激发对主要热流的贡献很小。
比较五块样品为何重要
这五块 NiPS3 晶体便于进行对比，因为它们的常规热输运几乎没有差别。它们的纵向热导率曲线基本重合，热容也相近。
因此，各样品中的声子平均自由程，也就是振动在散射前行进的平均距离，基本相同。打个比方，这就像五条道路上的车辆在遭遇阻碍前都能行驶相同的距离。
横向响应的表现则大不相同。尽管这些晶体向前传热的能力相近，其中一块晶体的横向响应峰值却约为另一块的十倍。这让研究团队能够在常规热输运几乎不变的情况下比较磁性行为。
若干拟议的散射机制预测，横向响应应随声子平均自由程增大。论文讨论的一种模型认为，纵向热导率与这一距离成正比，而横向热导率与其平方成正比。但 NiPS3 实验发现，声子平均自由程基本不变，横向热导率却大幅变化。
研究作者是研究 NiPS3 热输运的科研人员，他们在论文摘要中写道：
一种热力学性质的重要性，加上平均自由程的无关性，指向本征起源。
与信号同步变化的磁性方向
横向热导率与晶体的磁各向异性相对应，也就是说，晶体的磁响应取决于方向。沿标记为 a 的方向测量时，五块样品的磁化几乎完全相同；沿 b 方向测量时，磁各向异性最强与最弱的样品之间相差约 30%。
晶体孪晶现象有助于解释这种差异。孪晶晶体中，不同区域的晶格彼此旋转。在这种材料中，各区域可以共享一条公共轴，同时彼此旋转 120 度。不同区域的混合比例会改变沿特定方向测得的磁响应。
晶体取向最接近由单一主导取向构成的样品，热霍尔响应最大；三种可能取向的占比几乎相等的样品，响应最小。因此，即使正向热输运保持不变，磁性排列和晶体排列仍会产生影响。
转矩测量提供了另一项验证。研究人员测量磁场方向旋转时磁自由能的变化。自由能描述系统在给定条件下可利用的能量；在这里，自由能随方向的变化反映了晶体对特定磁取向的偏好程度。这一平衡态性质与横向热信号相对应，为研究提供了热力学层面的论据。
振动如何借助磁性响应
研究人员提出的微观解释涉及磁振子，也就是磁矩排列中的集体波动。声子描述原子振动，磁振子描述磁运动。两者之间的耦合使这两种运动能够相互影响。
研究人员将计算得到的声子谱与中子散射测量获得的磁振子谱进行了比较。这些谱显示了在晶体中传播的波可以具有哪些能量。若干声子和磁振子分支相交，其中已识别出的最低交叉点约为 3.7 毫电子伏特。
在这样的交叉点，耦合可以形成两种混合模态，其中同时包含振动和磁运动成分。磁性成分让这种混合激发能够对磁场作出响应，而振动成分则负责传递热量。
这些交叉出现在倒空间中对应于晶体 b 轴的方向上，使拟议机制与磁化测量中起关键作用的方向相联系。作者还根据霍尔响应的温度依赖性推算出约 1 毫电子伏特的能量尺度。他们认为这些联系支持磁振子与声子的杂化；其详细微观机制仍有待进一步检验。
黑磷提供了早期线索
2023 年 2 月 23 日，《自然·通讯》刊发了一项相关研究。这项黑磷研究考察了一种没有磁序的单质材料，使研究人员得以在更简单的体系中研究声子热霍尔效应。
与 NiPS3 中的情况一样，黑磷的纵向和横向热导率峰值出现在几乎相同的温度。12 特斯拉下，两种测量配置中的热霍尔角约为 0.005 和 0.0012，分别相当于 0.5% 和 0.12%。热霍尔角表示横向温度梯度相对于主要温度梯度的大小。
在论文比较的绝缘材料中，根据霍尔响应计算出的特征长度约为 2 至 7 埃，与原子间距相当。与此同时，声子平均自由程相差超过三个数量级，也就是超过 1,000 倍。
黑磷研究人员提出，声学振动分支之间的耦合，以及化学键周围电荷分布的不均匀性，可能产生磁响应。他们也没有排除散射机制。NiPS3 则提供了另一种实验切入点：五块样品的正向输运几乎相同，但磁响应和横向响应却存在显著差异。
加热另一种晶体有助于区分无序与起源
另一项研究发表于 2026 年 3 月 24 日的《npj 量子材料》，考察了来自不同供应商的四块钛酸锶晶体。这项无序与退火研究的作者包括李晓康、卡姆兰·贝赫尼亚和朱增伟，他们也参与了 NiPS3 研究。
质量较好的钛酸锶样品在 9 特斯拉下，热霍尔角分别达到 0.3% 和 0.15%。无序程度更高的晶体几乎没有信号。在空气中以 1,000 摄氏度加热无序晶体后，其响应部分恢复，在 9 特斯拉下达到约 0.1%，而纵向热导率几乎没有变化。
退火是指先进行受控加热、再冷却，这一过程可以使内部应变分布更加均匀。作者指出，无序和不均匀应变是抑制本征响应的因素。他们的结果表明，即使缺陷并非霍尔效应的拟议来源，它们仍可能产生很大影响。
研究团队还在同一样品上比较了金属银浆触点与绝缘润滑脂触点，得到的测量结果没有差别。对于测量极小信号的实验，例如 10 特斯拉下角度低于 0.02% 的情形，他们建议进一步检查触点可能带来的影响。
从 2005 年延续至 2026 年的研究
NiPS3 合作研究由武汉和巴黎的研究人员牵头。国家脉冲强磁场科学中心主任李亮与朱增伟以及巴黎高等工业物理化学学院的物理学家卡姆兰·贝赫尼亚共同开展研究。博士生孟庆凯和副研究员李晓康为共同第一作者。
以下几个日期节点展示了实验论证的发展过程：
- 2005 年：研究人员发表绝缘晶体中存在声子霍尔效应的首个实验证据。
- 2023 年 2 月 23 日：黑磷研究将这一效应与声学振动联系起来，并发现它与声子平均自由程之间缺乏关联。
- 2024 年 10 月 1 日：NiPS3 论文第二版发布于 arXiv。
- 2026 年 3 月 24 日：钛酸锶研究记录了无序、退火和触点材料的影响。
- 北京时间 2026 年 10 月 23 日：NiPS3 研究在《科学》在线发表时对外公布。
这些实验共同将关注点转向磁取向、耦合振动和内部应变，因为它们都可能影响热量的横向输运。对于试图复现实验结果的实验室来说，测量晶体向前传热的能力只是任务的一部分，还需要仔细考察其磁性和结构排列。
要点
- 五块 NiPS3 晶体的横向热导率相差约十倍，而纵向热输运基本保持不变。
- 霍尔响应与磁各向异性及方向相关的磁自由能相对应，支持其源于本征机制的观点。
- 热霍尔热导率在 25 开尔文、14 特斯拉下达到峰值，约为每米每开尔文 -1.63 瓦。
- 约 3.7 毫电子伏特处的磁振子与声子交叉，可能为传热振动响应磁场提供途径。
- 黑磷和钛酸锶实验也表明，这种响应与声子行进距离以外的性质有关，包括振动耦合、无序和应变。
