一百多年的物理定律被改写，磁场不垂直也能产生霍尔效应

1879 年，美国物理学家埃德温·霍尔发现了一个现象，当给一块材料通上电的时候，再在垂直方向添加一个磁场，电流就会偏向一侧，进而产生一个可以测量的电压。

这个效应后来被制作成了传感器，汽车里的轮速传感器、电脑键盘的按键检测以及手机里的指南针都在用它。

一百多年以来，物理学家们一致认为霍尔效应只在磁场垂直于材料的时候才会出现。

美国卡内基梅隆大学的一个团队最近在 Nature Materials 上发表论文证明了这个结论的不完整，他们把一种名字叫 TaIrTe₄ 的材料和一种名字叫 CGT 的磁性材料叠在一起，厚度仅有几个原子层，他们发现磁场平行于材料的时候也能产生霍尔响应。

这个发现一举改写了一个教科书级别的物理定律，也为打造更简单的磁场传感器打开了可能性。

关于霍尔效应的原理可以这样理解，我们想象有一条河，水从上游往下游流动。

假如你在河的两岸之间施加一个横向的力，水流就会偏向一侧，两岸的水位就会出现差异。

在霍尔效应里面，电流其实就是水流，磁场其实就是那个横向的力。

当磁场把电子推向一侧，材料两侧就会产生一个电压，这个电压的大小和磁场的强度有关，也和材料里电荷的多少有关。

通过测量这个电压，人们能够知道电流是由正电荷还是负电荷携带的，也能知道材料里有多少可以自由移动的电荷，还能够知道这些电荷跑得快不快。

如前所述，霍尔效应传感器被用在各种地方，从汽车轮速到电脑键盘、再到医疗成像设备，这些功能都建立在同一个物理原理上。

（来源：Nature Materials）

此次卡内基梅隆的团队做了一个原子级薄的结构，他们先是使用机械剥离法从单晶里撕出几层原子厚的 TaIrTe₄ 薄片，然后把 CGT 薄片叠在上面，使用干法转移技术在显微镜下进行对准，接着用电子束光刻和电子束蒸镀制作电极，这样制备出来的器件，两个材料之间的界面是原子级平整的。

TaIrTe₄ 其实是一种拓扑半金属，其内部电子结构有着特殊的拓扑性质。

CGT 则是一种铁磁绝缘体，本身是不导电的，但是能在特定温度之下产生磁性。

当两层材料贴在了一起，磁性就会通过界面渗透到 TaIrTe₄ 里面，给它带来磁性但是不改变它原本的电子结构。

这里面的关键在于对称性，TaIrTe₄ 的晶体结构在面内仅有一个镜面对称。

当磁场垂直的时候，这个对称性就会被打破，随后霍尔效应出现。

研究团队发现，当磁场平行于材料的 b 轴的时候，就算完全在面内，霍尔效应也同样会出现。

背后原因在于面内磁场与材料自身结构之间的交互，导致电子在横向发生了偏转。

据了解，这也是人们第一次在二维系统中观察到这种由面内磁化驱动的反常霍尔效应。

研究团队在两个不同的器件上重复了实验，在 11K 的低温之下，他们测量了纵向电阻以及霍尔电阻。

当磁场垂直的时候，霍尔电阻在大约 50 毫特斯拉处达到了饱和，开始出现明显的磁滞回线。

这个信号在大约 61K 的时候消失，刚好处于 CGT 的居里温度，这说明霍尔效应的确来自磁性层，并不是来自材料本身。

更关键一个的实验是把磁场旋转到面内，研究团队在面内旋转磁场方向，从 0 度到 360 度逐点地测量霍尔电阻。

当磁场沿 b 轴的时候，霍尔响应达到最大。

当磁场沿 a 轴的时候，响应基本为零。

这个结果精确地匹配了晶体对称性的预测，原因在于 TaIrTe₄ 在面内只有一个镜面对称方向，磁场沿那个方向的时候对称性会被打破，这时霍尔效应就会出现。

而沿另一个方向时对称性会被保存，这时霍尔效应就会消失。

反常霍尔电阻的数值在几十到几百毫欧左右，和传统的垂直霍尔效应处于同一个量级。

门电压能够调节这个响应的大小，意味着利用静电调控就能改变器件的性能。

上述测量还排除了平面霍尔效应的干扰，平面霍尔效应来自于各向异性磁电阻，在磁场反转的时候符号不变。

而研究团队观测到的面内霍尔效应，在磁场反转的时候符号跟着反转，证明这确实是一个真正的霍尔响应。

（来源：Nature Materials）

本次发现最直接的应用是多维磁场传感，现在假设要测量两个垂直方向的磁场，那就需要两个独立的传感器，安装在不同的朝向，接着分别读取数据。

假如同一个器件能够同时响应垂直和面内两个方向的磁场，设计方案就可以简化很多。

在本次工作中，同一个器件同时地测量到了面外和面内的反常霍尔效应信号，并且两个信号的大小可比，这意味着使用一个传感器就可以实现矢量磁测量。

这一成果的应用场景还包括电子设备里的姿态检测、汽车里的防抱死系统和方向盘角度感应、医疗成像里的磁场分布测量。

在这些应用场景里，尺寸和可靠性是一个重要约束，而当一个传感器能做的事情越多，系统的复杂度就会越来越低。

但是，当前的实验是在低温下完成的，11K 左右也就是大约零下 262 摄氏度。

这个温度在实验室里用液氦是能够达到的，但是离日常使用还有一定距离。

目前，研究团队正在探索在室温下实现同样效果的材料组合。

他们在论文里写道，正在测试其他具有相似对称性的、但是工作温度更高的材料，也在尝试改进界面质量，从而能够提升响应强度。

研究团队还构建了一个两带模型来解释观测结果。

这个模型指出，界面自旋轨道耦合和交换相互作用，是面内反常霍尔效应的一个关键因素。

但是，这个模型只能定性解释趋势，对于某些门电压依赖关系还无法完全拟合。

更精确的理论需要探明 TaIrTe₄ 的具体能带结构和拓扑性质，而这需要第一性原理计算和进一步的实验测量。

本次发现的意义不只在于改写教科书，它也把霍尔效应的适用条件拓展了一个维度，为量子材料和自旋电子学开辟了一个全新的控制手段。

对于材料科学家而言，当多了一个调控维度，也就多了一扇探索新物理的窗口。

参考资料：

https://www.sciencedaily.com/releases/2026/09/260901010659.htm

https://www.nature.com/articles/s41563-026-02611-9

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成

量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗

它说，一个系统的熵只会随时间增加，不会减少。

这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。

熵，说白了就是无序的程度：熵越低，结构越有序；熵越高，越散乱。

糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉，背后都是熵在增加。

人们相信，宇宙的演化也遵循这条定律。

宇宙早年处于低熵状态，一路演化到高熵。

可就在这个过程中，宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。

星系的熵很低，却是在一个高熵的环境里形成的。

这看起来像是在违反第二定律。

这个存在已久的矛盾，正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。

引力、熵与量子信息的交织，是比安科尼理论的视觉主题（图片来源：Physics World） 在爱因斯坦的广义相对论里，有个叫"度规"的数学对象，描述时空是怎么弯曲的；物质沿着这条弯曲走，就表现成了引力。

而在量子力学里，"算符"是对量子态做变换的数学工具。

比安科尼的关键一步，就是把这个"度规"当成量子算符来用，用量子化的方式描述时空的几何。

这样一来，会冒出两个"度规"：一个是"真实"的时空度规，一个是由物质和能量诱导出来的度规。

两者之间"差多少"，用量子信息论里的一个量来度量，叫量子相对熵。

正是这两个几何之间的量子相对熵，决定了时空怎么演化——换句话说，它给出的运动方程，就是引力。

在低曲率极限下，这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。

可一旦超出这个极限，方程就得被一个叫"G场"的对象修正。

G场生出一个暗能量项，而且是动态的。

暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西；在标准广义相对论里，它由静态的宇宙学常数驱动。

现在冒出一个动态的暗能量项，就有了被实验检验的机会。

比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克（FRW）宇宙模型上。

这是广义相对论对宇宙行为的一级近似，假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。

膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质，或辐射。

宇宙膨胀时，体积变大，总熵也跟着变大。

但正因为体积涨得更快，单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。

总熵在涨，局部熵密度却在降，这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。

那这算不算违反第二定律？比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵：要把熵密度在整个时空区域上积分，而因为体积随时间变大，总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。

所以对辐射主导和物质主导的宇宙，总熵依然随时间增加，第二定律照样成立，尽管局部熵密度在下降。

比安科尼强调，GfE 理论还很年轻，需要实验来验证。

但这项工作揭示了它内在的热力学本质，为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述，也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。

引力，也许并不是什么神秘的基本力，而只是信息与熵的必然结果。

若真如此，宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命，答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。

来源：S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究：G. Bianconi, Physical Review D.

引力弹弓不用遵守能量守恒定律？为什么绕着行星转一下可以加速？

既然如此，为什么不干脆用火箭把核废料送上太空，直接扔进太阳里烧掉呢？ 这个设想看似简单直接，但仔细分析就会发现问题重重。

首先，把核废料装上火箭本身就极其危险。

火箭在发射过程中偶尔会发生爆炸事故，一旦装载核废料的火箭在升空时爆炸，就会瞬间变成一枚威力巨大的"脏弹"，把放射性物质散布到广阔区域，后果不堪设想。

不过，除了发射风险之外，还有一个更为根本的原因——想要真正把物体送进太阳，其实非常非常困难。

乍看上去，飞向太阳应当是件容易的事，毕竟太阳的引力一直在把万物往它那里拉。

然而事实并非如此。

地球以及地球上的一切物体，都在以极高的速度绕着太阳做侧向运动。

当我们朝太阳"下落"的同时，也在以惊人的横向速度从它旁边掠过，结果就是一次次与太阳擦肩而过。

要想真正撞进太阳，就必须把这种侧向速度降下来，让飞行器不再横着飞。

而且这种减速必须彻底——只要还残留哪怕一点点侧向速度，飞行器就会与太阳失之交臂，绕着它兜一圈甩出去，而不是一头栽进去。

那么，需要把速度降低多少呢？ 地球连同地球上的一切，都在以大约每秒30公里的速度围绕太阳运行。

这意味着，要让飞行器停止绕日运动、直接坠入太阳，就必须让它相对于地球以每秒30公里的速度向后加速，才能抵消这份公转速度，实现"太阳跳水"。

而且必须减到几乎为零，一点都不能剩。

每秒30公里究竟有多快？做个对比就一目了然。

从地球轨道出发，只需要比地球再快约每秒11公里，就足以彻底摆脱太阳的引力束缚，飞出整个太阳系。

换言之，把飞行器送出太阳系，比让它撞进太阳还要容易得多。

这一点值得再重复一遍：从能量消耗的角度看，前往其他恒星所需要的加速度，竟然比抵达身边这颗太阳还要小。

听起来匪夷所思，但事实确实如此。

而事情还可以变得更加违反直觉。

由于天体引力的强弱与距离密切相关，物体离太阳越近，所在轨道就越小，绕太阳的公转速度也就越快。

以太阳系的行星为例，水星绕太阳一圈的速度大约是地球的一点五倍，而遥远的冥王星速度只有地球的六分之一。

这就带来一个有趣的推论：从水星出发反而比从地球出发更难撞进太阳，尽管水星离太阳近得多。

原因在于，要在水星轨道上停下来，飞行器需要以每秒48公里的速度向后加速，比在地球轨道上所需的每秒30公里还要大得多。

相反，从冥王星轨道出发反而轻松得多——只需要以每秒5公里的速度反向加速，就足以让飞行器摆脱缓慢的公转速度，径直坠入太阳。

正因为如此，如果单纯依靠火箭动力来完成撞日任务，最高效的做法反倒是先把飞行器送到外太阳系去。

因为在外太阳系公转速度大幅降低，随后再进行第二次点火，抵消掉那微弱的横向速度，飞行器就能沿着近乎笔直的路径直接落向太阳。

这也正是美国国家航空航天局早期在规划太阳探测任务时，之所以曾提出让探测器先飞往木星轨道的原因——绕道外太阳系反而更容易减速、更容易接近太阳。

不过，任务规划人员最终并未采用这一方案，而是选择让探测器多次借助金星的引力弹弓效应逐步减速，从而节省宝贵的燃料，一步步靠近太阳。

至于引力弹弓具体是如何运作的，那就是一个值得单独展开的话题。

它是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式，简单来讲，这种方式能够利用行星的引力把探测器"甩"出去，从而为探测器提供额外的速度。

借助这一手段，探测任务所需要的燃料和飞行时间都能被大幅压缩，因此几乎成了深空探测的标配技术。

不过，如果对这个过程稍作推敲，就会发现它并不像"绕一圈就加速"那样简单。

在多数人的印象中，引力弹弓的画面大致是这样的：探测器首先朝着某颗行星飞近，然后被行星的引力抓住、绕着它转上一圈，等到被甩出来的时候，速度就比进入时更快了。

听起来顺理成章，可只要多想一步，就会隐隐觉得有点不对劲。

问题的关键在于能量守恒。

当探测器靠近行星时，行星的引力做正功，探测器会被加速；可当它绕过近拱点、再从行星旁边远离时，同一份引力又会做负功，把刚刚获得的动能重新拉回去。

一进一出、加加减减，探测器相对于行星的速度理应回到原点，怎么会平白多出一截呢？ 真正让这个"魔术"成立的，是参考系的切换。

相对于行星本身，探测器的速率进出确实几乎不变，弹弓过程只改变了它的飞行方向；但相对于太阳来说，行星本身也在高速公转，探测器借用的其实是行星绕日运动的那份动能。

行星在把探测器"甩"出去的同时，自身的公转速度会被极其微弱地拖慢一点，只不过行星的质量远远大于探测器，这份损失小到根本无法察觉。

所以，引力弹弓从来没有违反能量守恒定律，它只是把行星公转的动能借了一小勺给探测器。

理解了这一点，再回头看撞日任务为何要反复利用金星减速，也就顺理成章了——同样是引力弹弓，一次次借用行星的动量，就能把公转速度这道最难迈过去的坎，一点点悄悄磨掉。