近日，南方科技大学量子功能材料国家重点实验室/物理系赵悦副教授团队合作在实验中首次发现全新强关联电子物态，并观测到前所未有的变维反常霍尔态（Transdimensional Anomalous Hall Effect）。该效应不仅与面外轨道磁化耦合，还同时与面内轨道磁化耦合，表现为在平行磁场和垂直磁场下均出现显著的霍尔电阻磁滞回线。这一发现突破了传统反常霍尔效应中"磁化、电流与霍尔电场相互正交"的基本图景，揭示了在有限厚度与层间相干共同定义的“穿越维度”区间内，量子材料中由电子关联与轨道相干协同孕育的新物理。相关成果以"Transdimensional anomalous Hall effect in rhombohedral thin graphite"为题，发表于国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）。

反常霍尔效应是凝聚态物理中的经典输运现象，也是理解磁性有序与电子轨道运动耦合机制的重要窗口。在传统磁性材料中，该效应通常源于自旋轨道耦合：电子自旋通过该耦合影响其轨道运动，进而产生轨道磁化与霍尔响应。近年来，扭转莫尔体系的研究揭示了另一条路径：即使自旋轨道耦合极弱，强库仑相互作用也可驱动轨道铁磁态，自发打破时间反演对称性并产生反常霍尔效应。然而，无论轨道磁化源于自旋轨道耦合还是电子关联，迄今已知的所有反常霍尔效应与量子反常霍尔效应均遵循一个共同特征：它们本质上源于平面内电子轨道运动所对应的面外轨道磁化，并满足磁化方向M、电流方向J与霍尔电场方向EH彼此正交的关系，即M∝J×EH。

在严格二维体系中，电子轨道运动局限于平面内，反常霍尔效应仅能与面外轨道磁化耦合（图1a,d）；而在三维体材料中，当样品厚度远大于相干输运长度时，层间轨道相干性会被散射与退相干迅速破坏，其霍尔响应本质上仍是二维行为的厚度平均（图1b,e）。真正未被探索的，是介于二者之间的“穿越维度”区间——此时样品已非原子级薄层，但厚度也未达到完全丧失层间相干性。在此区间内，电子可同时进行面内与面外的相干轨道运动，从而有望催生一种同时耦合面内与面外轨道磁化的全新反常霍尔效应（图1c, f）。这不仅代表一种新的输运响应，更指向一种超越传统二维/三维极限的全新量子物态。

图1.(a)二维反常霍尔效应；(b)三维反常霍尔效应；(c)变维反常霍尔效应，同时伴随面外和面内的轨道环路电流以及轨道磁化；(d)常规反常霍尔效应仅表现出面外磁滞；(e)面内霍尔效应表现为平行外磁场驱动下的线性霍尔响应；(f)变维反常霍尔效应则在面外和平行磁场下均表现出明显磁滞

为寻找这一新效应，研究团队选取2–5nm厚（约6–15层）菱方堆垛石墨烯作为研究平台。该体系具有近乎平坦的低能能带与高态密度，外加垂直位移场可进一步调控范霍夫奇点与费米面拓扑，显著增强了电子–电子相互作用。在如此强关联的平带系统中，电子的自旋、谷与轨道自由度易发生自发对称性破缺，可能形成轨道环路电流与自发轨道磁性。研究人员首先在九层菱方石墨烯器件中绘制了载流子密度–位移场二维参数空间相图（图2a），除已知的对称性破缺金属相外，还发现存在一个由强电子关联稳定的新型基态。

围绕这一异常相，团队系统开展了平行与垂直磁场下的输运测量，并获得本工作的核心发现：霍尔电阻不仅在垂直磁场下呈现磁滞回线，在平行磁场下也观测到清晰且显著的内禀磁滞回线（图2b和c）。通过严格控制实验条件并排除残余垂直磁场分量等潜在伪效应，研究团队确认该信号具有本征起源，并将这一新现象命名为变维反常霍尔效应。与传统Stoner型铁磁金属中的反常霍尔效应相比，该效应首次展现出巨大的面内轨道铁磁分量，是对反常霍尔效应基本图景的重要拓展。

通过多厚度器件的系统对比与理论计算，研究团队进一步揭示了该现象的物理起源：变维反常霍尔效应仅存在于有限的中间厚度窗口——样品过薄时趋近严格二维极限，过厚时则层间相干性被退相干破坏；只有在“穿越维度”区间，电子才能同时维持面内与面外的相干轨道运动。理论计算表明(图2d)，在特定载流子密度与位移场条件下，电子–电子相互作用可驱动体系自发破缺时间反演、旋转与镜面对称性，形成一种特殊的轨道铁磁金属态。在此全新物态中，体系内部可同时产生面外与面内环路电流，分别对应面外与面内轨道磁化，最终导致这一独特的变维反常霍尔效应。

图2.(a)n-D相图中变维反常霍尔效应对应区域（绿色）；(b)、(c)扫描平行磁场时测得的霍尔电阻Rxy和扫描垂直磁场时测得的Rxy得到的磁滞回线；(d)理论计算得到的费米面，其中中间的费米面是长程库仑作用驱动形成的新月形费米面轨道铁磁态，是产生变维反常霍尔效应必要条件

本研究首次从实验上确立了一个由有限厚度与层间相干共同定义的“穿越维度”电子输运新范式，不仅发现了一种全新的反常霍尔效应类型，更揭示了一种由强电子关联、轨道环路电流与层间相干协同稳定的新型轨道铁磁物态。这一突破将反常霍尔效应的研究从传统二维/三维二分图景拓展至全新的维度连续区间，为多层石墨烯及更广泛范德华量子材料中的强关联轨道物理研究开辟了新方向。

南京大学物理学院李庆鑫博士、南方科技大学研究助理教授凡华（现任华南师范大学副研究员）和上海科技大学李敏博士为论文共同第一作者，南京大学物理学院王雷教授、上海科技大学刘健鹏副教授、南方科技大学赵悦副教授以及南京大学物理学院于葛亮教授为共同通讯作者。南科大为论文共同通讯单位。合作单位包括华南师范大学、中国科学院物理研究所、深圳国际量子研究院、复旦大学、北京大学、江苏物理科学研究中心、辽宁省材料实验室、日本物质材料研究所、美国哥伦比亚大学、新加坡国立大学等。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省物理科学研究中心、江苏省自然科学基金、合肥国家实验室和中科院北京怀柔极端条件实验室等项目支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10471-1

供稿：物理系

通讯员：高虎梅

主图：丘妍

编辑：任奕霏