松山湖材料实验室阿秒科学中心陈朝宇课题组与南方科技大学刘奇航课题组、南阳师范学院何俊宝课题组、中国科学院物理研究所刘恩克课题组，上海光源刘正太、叶茂、姜琦，北京正负电子对撞机王嘉鸥、刘晨，日本广岛大学同步辐射中心Masashi Arita、Kenya Shimada等合作，系统研究了铁磁性外尔半金属材料PrAlSi的低能电子结构和霍尔输运行为随温度的变化，观测到长程铁磁有序对能带中的外尔费米子和反常霍尔输运行为影响的对立表现。相关研究成果于2025年5月5日以“Dichotomy of magnetic effect between Weyl fermions and anomalous Hall effect in PrAlSi”为题在线发表于《Communications Materials》 。

如果要列举凝聚态物理领域的核心科学问题，除了被称为“皇冠上的明珠”的高温超导机理外，另外一个非量子霍尔输运莫属。量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现者获得了1985年（Klaus von Klitzing）和1998年（Daniel Tsui, Horst Stormer, Robert Laughlin）的诺贝尔物理学奖。在解释电导量子化的过程中，科学家将数学上拓扑的概念引入物理领域，用来描述物质中（能带）的一种特殊状态（相）和相变，也于2016年（David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane, J. Michael Kosterlitz）获得诺贝尔物理学奖。进入新世纪以来，对量子自旋霍尔效应和量子反常霍尔效应的研究促使该领域持续升温，并建立了以能带拓扑、拓扑材料为基本语言的新的研究范式。值得一提的是，中国科学家在量子反常霍尔效应的理论和实验研究中都做出了开创性的工作。

以量子反常霍尔效应为例，目前量子化电导平台的实现主要基于磁性元素掺杂或者本征的磁性拓扑绝缘体二维薄膜，即二维陈绝缘体（Chern insulator）。在陈绝缘体中，长程铁磁序和拓扑不平庸的体带共存，能带上表现为体带绝缘，拓扑边缘态导电且只存在一个自旋通道（时间反演对称破缺）。将这一简单图像扩展到三维磁性拓扑绝缘体，能带上的表现则是体带绝缘，拓扑表面态狄拉克点打开磁性能隙。三维磁性拓扑绝缘体中表面态能隙的存在是长程磁序破坏时间反演对称性，在能带上产生磁效应的直接结果。进一步拓展到三维磁性外尔半金属，磁效应体现在能带上外尔锥的产生与移动。从输运行为上来讲，长程铁磁序的建立同步导致了磁场下霍尔电阻电导的回滞现象。

以上是磁性拓扑物态中磁有序对能带和霍尔输运行为产生同步影响的一个普遍接受的简单图像。然而，现实中的磁性拓扑材料却表现出异常的行为。以最典型的本征磁性拓扑绝缘体Mn-Bi-Te体系为例，理论上应该存在长程磁有序破坏时间反演对称性产生的拓扑表面态狄拉克锥能隙。在实验上，陈朝宇及合作者团队却在反铁磁基态下的拓扑绝缘体MnBi₂Te₄单晶中发现了无能隙的拓扑表面态[PRX 9, 041038 (2019)]，并进一步通过系统性的实验和理论分析验证了这一异常现象的普遍存在[PRB 102, 245136 (2020); PRX 11, 011039 (2021); PRB 103, L121112 (2021)]，证实了磁性拓扑物态中能带特征的磁效应的缺失。基于以上系统性成果，陈朝宇团队受《国家科学评论》和《物理学前沿》的邀请撰写了磁性拓扑绝缘体表面态研究综述 [Natl. Sci. Rev. nwad066 (2023)]和本征磁性拓扑材料研究综述 [Front. Phys. 18, 21304 (2023)]。理解磁性拓扑体系Mn-Bi-Te中拓扑表面态磁效应的缺失机制，并进一步寻找途径增强磁效应能隙，是提高该体系量子反常霍尔效应实现温度的关键。

本次研究中，陈朝宇合作团队基于本征磁性拓扑材料RAlX (R = Ce, Pr, Nd, Sm; X = Si, Ge)体系，系统研究了PrAlSi在顺磁态和铁磁态不同温度下能带特征中外尔费米子的演化和霍尔输运中反常霍尔电导和正常霍尔电导的演化，发现磁有序对2种霍尔输运的影响显著而对外尔费米子的影响小到无法观测。如图1A所示，角分辨光电子能谱测量得到的PrAlSi的低能能带符合第一性原理计算得到的外尔锥的特征结构，但是从顺磁相到铁磁相的转变后却没有表现出相应的变化。这体现了体系的电子结构和长程磁序之间的解耦，有可能来源于低能能带和局限磁矩之间较弱的相互作用。与能带的表现相反的是，图1B中所示的电阻，磁阻，反常和正常霍尔电导均体现出明显的温度依赖，并在居里温度处存在跳变，说明磁有序显著影响了体系的电子输运。

图1：PrAlSi的电子结构和霍尔效应随温度的演化

这项工作揭示了在磁性拓扑材料体系中有可能普遍存在着能带拓扑和霍尔输运之间的解耦现象，突出了开发能够准确描述局域磁矩和能带之间相互作用的理论和实验工具的重要性，启示人们更加深入、实际地去思考磁、拓扑和输运三者之间的相互关系。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，广东省基础和应用基础研究等项目的支持。