6163银河线路检测中心理论物理研究所黄华卿课题组发现拓扑材料五碲化锆（ZrTe₅）薄膜中的自发空间反演对称性破缺现象，并揭示该现象源自层间滑移和细微的层内畸变，进而预测了由对称性破缺导致的非线性反常霍尔效应和动态磁电响应，为调控层状拓扑材料的非互易输运性质开辟了新途径。相关研究成果于2024年6月28日以“拓扑ZrTe₅薄膜中的自发空间反演对称性破缺及贝里曲率和轨道磁化的出现”（Spontaneous Inversion Symmetry Breaking and Emergence of Berry Curvature and Orbital Magnetization in Topological ZrTe₅Films）为题，在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

ZrTe₅是一种多功能层状拓扑材料，因其展现出一系列新颖的量子现象而备受瞩目，包括巨大的电阻异常、手征磁效应、三维量子霍尔效应和可控的拓扑相变等。这些引人入胜的现象反映了ZrTe₅不同相的特性，为其应用提供了丰富的可能性。特别是，最近实验观察到ZrTe₅中存在巨磁手征各向异性、非线性反常霍尔效应和圆偏振光伏效应等，引起了广泛关注。这些非互易传输特性表明体系打破了空间反演对称性，然而ZrTe₅中确切的非中心对称结构仍然众说纷纭，没有定论。因此，阐明ZrTe₅空间反演对称性破缺的具体机制对于理解其非互易特性的来源及其潜在应用具有重要意义。

近日，黄华卿课题组与清华大学段文晖教授课题组报道了拓扑材料ZrTe₅薄膜中的自发反演对称性破缺现象，发现该现象源自层间滑移并通过细微的层内畸变得以稳定（如图1）。研究团队进一步预测了该体系中显著的非线性反常霍尔效应和动态磁电响应，这些效应归因于空间反演对称性破缺情况下出现的Berry曲率和轨道磁化。此外，研究团队基于滑移依赖的k·p模型阐明了滑移铁电性、非线性反常霍尔电流和轨道磁化强度之间的直接耦合关系。通过研究ZrTe₅多层结构中的表面滑移，研究团队推测在该材料的自然解理面上也会出现表面非线性霍尔效应和电流导致的磁化现象。上述发现不仅解答了ZrTe₅薄膜空间反演对称性破缺的具体机制，深化了人们对层状拓扑材料奇异物理性质的理解，还为调控二维范德华材料中的非互易输运性质提供了新思路。

图1：（a）ZrTe₅体相的晶体结构；（b）ZrTe₅三层滑移相的晶体结构；（c）N层ZrTe₅-薄膜中次表面滑移的晶体结构示意；（d）ZrTe₅三层铁电翻转的能垒；（e）ZrTe₅三层的铁电翻转的面内极化随滑移步长的演化；（f）N层ZrTe₅体系滑移次表面的能量变化及对应的最优滑移步长。

6163银河线路检测中心博雅博士后王二青和清华大学物理系博士生曾晖为该论文共同第一作者，黄华卿为通讯作者。上述研究成果得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、6163银河线路检测中心高能物理研究中心、量子物质科学协同创新中心、6163银河线路检测中心高性能计算平台等支持。

论文原文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.266802