近日，北京理工大学物理学院姚裕贵教授团队基于电场对贝里曲率和能带结构的调控，提出霍尔效应的“电场版本”，即电霍尔效应和量子电霍尔效应。该团队通过对称性分析，明确了实现这些全新效应的对称性条件，发现该效应可以广泛存在于铁磁性、反铁磁性和交错磁性等二维材料体系中。此外，应用微扰理论和半经典输运方程，推导出内禀电霍尔电导率的解析表达式，明确指出内禀电霍尔效应来源于两种全新的几何量——贝里曲率极化与贝里曲率关于垂直电场的极化率。该工作以“Electric Hall Effect and Quantum Electric Hall Effect”为题发表于国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》。北京理工大学为该工作的唯一完成单位，张闰午特别研究员、余智明教授和姚裕贵教授为论文的共同通讯作者，博士生崔朝喜为论文的第一作者，博士生邱宇辉、韩依琳为论文的共同作者。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

霍尔效应是最基本的物理现象之一，也是诸多低功耗量子效应的理论基石。自发现以来，各种不同形式的霍尔效应——包括常规与平面、内禀与外在、线性与非线性等——不断被提出并得到深入研究。

在该领域中，姚裕贵教授团队长期开展系统性研究，取得了一系列重要突破：2004年，姚裕贵等人率先发展了反常霍尔电导率的第一性原理计算方法，定量研究了反常霍尔效应中基于贝里相的内禀机制，指出了内禀机制的重要性【PRL 92, 037204 (2004)】。该工作成功解决了长期悬而未决的科学难题——“内禀机制贡献在反常霍尔效应中是否重要”，颠覆了此前“外在机制占主导，内禀机制不重要”的传统认识，实质性地推动了该领域的迅速发展。2006年，姚等人进一步提出反常霍尔效应内禀与外在部分的分解方法，并给出反常霍尔效应中内禀电导率和磁化强度成线性关系的理论解释及定量计算方法【PRL 96, 037204 (2006)】，这一成果被广泛引用，并被收录于M. P. Marder的流行教科书《Condensed Matter Physics》。2023年，姚等人提出在一大类具有时空反演对称性的反铁磁体中可实现面内反常霍尔效应，并给出了其普适理论和可行的材料设计方案，进一步拓展了反常霍尔效应理论【PRL 130, 166702 (2023)】。此外，通过与实验团队合作，首次构筑出异维超晶格结构，发现了室温下显著的面内反常霍尔效应，与理论预测相符，该成果发表在《自然》【Nature 609, 46-51 (2022)】。

近日，姚裕贵教授团队在上述长期积累的基础上，又提出了一种全新的霍尔效应——电霍尔效应。该效应的创新之处在于，霍尔电流由垂直于平面的静态电场诱导，而非传统意义上的磁场，如图1所示。

图1 (a) 常规霍尔效应，(c) 量子霍尔效应；(b)与(d) 分别展示了电霍尔效应和量子电霍尔效应，它们可被视为常规霍尔效应与量子霍尔效应的电场对应。

姚裕贵教授团队在该研究工作中探索了二维磁性系统中的电霍尔效应。通过对称性分析，研究团队证明了内禀电霍尔效应可广泛存在于多种二维磁性材料中，包括铁磁、反铁磁和交错磁性体系。基于玻尔兹曼输运方程和微扰论，团队推导出了该效应的解析表达式，并揭示其与贝里曲率极化和极化率密切相关。理论表明，电霍尔效应在能带简并点附近以及窄带隙系统的能带边缘处尤为显著。研究进一步通过第一性原理计算，在单层Ca(FeN)2 中验证了电霍尔效应的存在，并在外尔点附近的费米能处获得了显著的电霍尔效应。此外，团队预言在合理电场下可在单层BaMn2S3中实现量子电霍尔效应，并指出通过反转电场可实现量子化霍尔电导的切换。该研究不仅提出了一种全新的霍尔效应机制，也为霍尔效应的产生与调控提供了一种高效且便捷的技术路径。

作为一种由电场诱导、无需依赖磁场或净磁矩的霍尔效应，电霍尔效应为电场强度的纯电学测量开辟了新的途径。鉴于霍尔效应传感器已在磁场检测技术中广泛应用，将成熟的霍尔传感技术与电霍尔效应相结合，有望发展出一类新型高效的电场探测方法，为电场传感器领域带来全新的应用前景。

图2 单层Ca(FeN)2 的(a)结构示意图与(b)布里渊区；(c)考虑自旋轨道耦合下的Ca(FeN)2 的轨道投影能带结构，插图显示了在Γ 点处的线性色散的能带交叉；(d)χxy 随费米能级EF 的变化关系，插图展示了源自M 点处线性外尔点的小峰值。此处采用的gE = 0.23，其数值来自第一性原理计算。

图3 单层BaMn2S3 的(a)结构示意图及(b)布里渊区；(c) BaMn2S3 在不同垂直电场Ɛz =0,±0.2 eV/Å 下考虑自旋轨道耦合时的能带结构。Γ 点能带的C3z 本征值以红色标注，其中W =e^-iπ/3；(d)BaMn2S3 的内禀霍尔电导率σxy（左轴）随垂直电场Ɛz（下轴）的变化关系。图中还以背景方式绘制了在Ɛz = 0,±0.2 eV/Å 下的(10) 边缘态（上轴与右轴）。

附通讯作者简介：

张闰午，北京理工大学特别研究员、博士生导师。长期从事量子材料新物态、新效应及新物性调控，迄今发表论文50余篇，累计引用2300余次，H指数25，包括8篇Phys. Rev. Lett.，2篇Adv. Funct. Mater.，1篇ACS Nano，2 篇 Nano Lett.等。主持国家自然科学基金项目2项、北京市自然科学基金面上项目1项、凝聚态物理国家中心开放课题项目1项、博士后基金一等资助1项、博士后基金站中特别资助1项。荣获北京市本科生毕业设计（论文）优秀指导教师、山东省自然科学二等奖、IOP高被引作者奖等，担任Phys. Rev.系列、ACS系列等学术期刊审稿人。

余智明，北京理工大学长聘教授，入选国家高层次青年人才计划。长期从事以对称性理论为研究工具，系统探索新型量子材料中的新材料、新机制和新应用。迄今，共发表SCI论文100余篇，研究成果被国内外同行正面评价和广泛引用，谷歌学术总引用 8200 余次，H指数 47，包括 14篇 Phys. Rev. Lett.，1 篇 Prog. Mater. Sci.，和 5 篇Nat. Commun.，2篇Sci. Bull. (其中1篇获Science Bulletin 2023 Best Paper Award 奖)等，ESI高被引论文10篇。此外，2021年获批国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外），担任Nature和Phys. Rev. Lett.等学术期刊审稿人。

姚裕贵，北京理工大学杰出教授、3次入选国家高层次领军人才计划，享受政府特贴，先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室主任、物理学院院长。发表论文360余篇，包括49篇PRL/X 、Nature及子刊（33篇），引用37000余次，7篇论文单篇引用超过1000次，H指数91 (Google Scholar)。在反常输运、二维量子材料、拓扑量子材料与物性、含能材料检测等领域做出了突出性贡献，具有重要国际影响，连续7年入选科睿唯安全球高被引学者。主持基金委创新研究群体、科技部重点研发计划等项目。当选美国物理学会会士、获国家自然科学奖、教育部自然科学奖、北京市自然科学奖、首届北京市先进科研工作者、北京市有突出贡献的科学、技术、管理人才、北京最美科技工作者、中科院杰出科技成就奖、北京市优秀研究生导师等。作为院长，带领北京理工大学物理学科入选国家一流学科建设名单（工信部高校唯一入选基础学科），获批全国科普教育基地。

文章信息（*为通讯作者）：Chaoxi Cui, Run-Wu Zhang*, Yuhui Qiu, Yilin Han, Zhi-Ming Yu*, and Yugui Yao*, “Electric Hall Effect and Quantum Electric Hall Effect”, Phys. Rev. Lett. 135, 116301 (2025).

文章链接：https://doi.org/10.1103/5yxp-djy9