十倍差異指向晶體本身
五個由相同絕緣材料製成的晶體，沿著長度方向的導熱能力相同，但受到磁場作用時，側向反應卻相差約十倍。這項對比是研究 NiPS3 的核心發現。這種層狀磁性晶體有助於理解一個可追溯至 2005 年的物理學謎題：為什麼由電中性的振動攜帶的熱，會在磁場中轉向。
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這項合作研究由位於武漢的華中科技大學國家脈衝強磁場科學中心，以及法國 ESPCI Paris 的研究人員共同進行。他們的測量結果顯示，熱的側向反應與晶體的磁性有關，而非熱載子在碰撞之間行進的距離。
研究人員將這種關聯解讀為本徵機制的證據，也就是源自材料本身磁性與振動耦合行為的機制。這項發現為科學家提供了實驗方法，可區分這種解釋與由雜質或其他散射中心產生側向反應的機制。
這篇關於 NiPS3 的研究論文，其第二版 arXiv 稿件日期為 2024 年 10 月 1 日，記錄到 25 開爾文、14 特斯拉時，側向熱導率峰值約為每公尺每開爾文 -1.63 瓦特。該溫度約為攝氏零下 248 度。負號表示依照實驗的測量慣例，側向反應的方向。
這項研究於北京時間 2026 年 10 月 23 日、當地時間 10 月 22 日，配合其在《Science》期刊發表的消息對外公布，並稱為封面論文。論文中詳細的實驗論證，早已刊載於 2024 年的稿件。
沒有電荷，熱如何轉向？
一般的電學霍爾效應，是磁場將移動中的電荷推向側邊所造成。電荷在導體兩側累積，形成垂直於原始電流方向的電壓。
NiPS3 是電絕緣體。熱主要以晶格振動的形式在其中傳遞；晶格是原子有序排列而成的結構。物理學家將這些振動的能量包稱為聲子，就像將光的能量包稱為光子一樣。
聲子能攜帶能量，卻不攜帶淨電荷，因此沒有傳統的磁力會使電子的運動偏轉。然而，當熱沿著絕緣晶體流動，並施加一個垂直於熱流方向的磁場時，晶體兩側仍可能出現溫差。科學家稱這種現象為聲子熱霍爾效應。
首批實驗證據於 2005 年出現。此後，核心爭論一直聚焦於作用機制：側向反應究竟源自晶體的集體行為，還是聲子遇到雜質、缺陷或其他擾動時發生不對稱散射。兩者都是對測量訊號的物理解釋，但將訊號歸因於不同的過程。
強磁場測量揭示了什麼
NiPS3 含有鎳、磷和硫。鎳原子形成蜂巢狀層結構，溫度低於 155 開爾文（約攝氏零下 118 度）時，其磁矩會形成鋸齒狀反鐵磁排列。反鐵磁性是指磁矩以相反方向排列，而非全部朝向同一方向。
研究團隊以化學氣相傳輸法培育單晶，並使用一個加熱器和三個熱電偶，同時測量沿晶體方向及橫向的熱流。這讓研究人員得以比較主要熱流與較小的側向溫度反應。
研究人員在 4.2 開爾文下，使用脈衝磁場進行最高達 55 特斯拉的磁化測量。在這個範圍內未發現磁性相變。論文描述的熱霍爾測量則最高達 14 特斯拉；側向反應隨施加的磁場線性變化。
主要熱導率峰值為每公尺每開爾文 274 瓦特。在零磁場與 14 特斯拉下，其溫度變化曲線幾乎相同，且峰值出現在與側向熱導率相同的溫度。研究人員指出，聲子是主要熱載子，磁激發對主要熱流的貢獻很小。
為何比較五個樣本如此重要
五個 NiPS3 晶體提供了有用的比較對象，因為它們的一般熱傳輸特性實際上沒有差異。它們的縱向熱導率曲線幾乎完全重疊，熱容量也相近。
因此，各樣本的聲子平均自由程，也就是振動在散射前行進的平均距離，基本相同。簡單來說，就像五條道路上的車流在受到阻礙前都能行進相同的距離。
側向反應則大不相同。儘管其中一個晶體與另一個晶體的向前導熱能力相近，前者的側向反應峰值仍約為後者的十倍。這讓研究團隊得以在幾乎維持一般熱傳輸不變的情況下，比較磁性行為。
有幾種提出的散射機制預測，側向反應應會隨聲子平均自由程增加。論文討論的一種模型指出，縱向熱導率與該距離成正比，而橫向熱導率則與該距離的平方成正比。然而，NiPS3 實驗發現，平均自由程維持不變時，橫向熱導率仍大幅變化。
研究作者是探討 NiPS3 熱傳輸的研究人員，他們在論文摘要中如此總結：
熱力學性質的關聯性，加上平均自由程並不重要，指向本徵起源。
追蹤訊號的磁性方向
側向熱導率隨晶體的磁各向異性變化，也就是磁性反應會因方向而異。五個樣本沿標記為 a 的方向測得的磁化幾乎完全相同；沿 b 方向測量時，磁性各向異性最大與最小的樣本則相差約 30%。
晶體孿晶可以解釋這種差異。孿晶晶體含有晶格彼此相對旋轉的區域。在這種材料中，各區域可以共用一條軸，但彼此旋轉 120 度。不同區域的比例會改變沿特定方向測得的磁性反應。
最接近單一取向占主導的晶體，其熱霍爾反應最大；三種可能取向的比例幾乎相等的樣本，反應則最小。因此，即使向前的熱傳輸維持不變，磁性排列和晶體排列仍會產生影響。
扭矩測量提供了另一項檢驗。測量結果追蹤磁場方向旋轉時，磁自由能如何變化。自由能描述系統在特定條件下可用的能量；在此，磁自由能的方向變化可衡量晶體偏好某些磁性取向的程度。這項平衡態性質與側向熱訊號相互呼應，為研究提供了熱力學層面的論據。
振動如何借助磁性反應
研究提出的微觀解釋涉及磁振子，也就是磁矩排列中的集體波動。聲子描述原子振動；磁振子描述磁性運動。兩者耦合時，便能相互影響。
研究人員將計算所得的聲子能譜，與根據中子散射測量取得的磁振子能譜進行比較。這些能譜顯示在晶體中傳播的波可具有哪些能量。幾個聲子分支與磁振子分支交會，其中已確認最低的交會點接近 3.7 毫電子伏特。
在這種交會點，耦合可形成包含振動與磁性運動的兩種混合模式。其中的磁性成分使這種混合激發能對磁場產生反應，振動成分則負責傳遞熱能。
這些交會出現在對應晶體 b 軸的倒空間方向，將提出的機制與磁化測量中具有關聯的方向連結起來。作者也根據霍爾反應的溫度變化，推算出約 1 毫電子伏特的能量尺度。他們將這些關聯視為磁振子與聲子混成的支持證據；詳細的微觀機制仍有待進一步檢驗。
黑磷提供了較早的線索
一項相關研究於 2023 年 2 月 23 日刊登在《Nature Communications》。這項黑磷研究探討一種沒有磁有序的元素材料，讓研究人員能在較簡單的情況下研究聲子熱霍爾效應。
其縱向與橫向熱導率的峰值出現在幾乎相同的溫度，與 NiPS3 的情況相同。在 12 特斯拉下，兩種配置測得的熱霍爾角約為 0.005 和 0.0012，相當於 0.5% 和 0.12%。霍爾角表示側向溫度梯度相對於主要溫度梯度的大小。
該論文比較的絕緣材料中，根據霍爾反應計算得出的特徵長度約介於 2 至 7 埃，與原子間距相近。與此同時，聲子平均自由程的變化超過三個數量級，也就是相差超過 1,000 倍。
黑磷研究人員提出，聲學振動分支之間的耦合，以及化學鍵周圍不均勻的電荷分布，可能會產生磁性反應。他們也保留散射機制作為可能的解釋。NiPS3 則提供了另一種實驗切入點：五個樣本的向前傳輸幾乎相同，但磁性反應與橫向反應差異顯著。
加熱另一種晶體，有助區分缺陷與起因
另一項研究於 2026 年 3 月 24 日刊登在《npj Quantum Materials》，探討來自不同供應商的四個鈦酸鍶晶體。這項缺陷與退火研究的作者包括 Xiaokang Li、Kamran Behnia 和 Zengwei Zhu，他們也參與了 NiPS3 研究。
品質較佳的鈦酸鍶樣本，在 9 特斯拉下測得的熱霍爾角最高達 0.3% 和 0.15%；缺陷較多的晶體則幾乎沒有訊號。將缺陷較多的晶體置於空氣中，以攝氏 1,000 度加熱後，反應部分恢復，在 9 特斯拉下約達 0.1%，而縱向熱導率幾乎沒有變化。
退火是經過控制的加熱後再冷卻，可使內部應變分布更均勻。作者指出，缺陷與不均勻應變會抑制本徵反應。他們的結果顯示，即使缺陷並非霍爾效應的假定來源，缺陷的存在仍可能造成重大影響。
研究團隊也在同一個樣本上比較金屬銀膠接點與絕緣油脂接點，得到無法區分的測量結果。對於測量極小訊號的實驗，例如 10 特斯拉下低於 0.02% 的角度，他們建議進一步檢查接點可能造成的影響。
從 2005 年到 2026 年的研究歷程
NiPS3 合作研究由武漢和巴黎的研究人員主導。國家脈衝強磁場科學中心主任 Liang Li 與 Zengwei Zhu，以及 ESPCI Paris 物理學家 Kamran Behnia 合作進行。博士生 Qingkai Meng 和副研究員 Xiaokang Li 為共同第一作者。
以下幾個具體日期，呈現了這項實驗論證的發展過程：
- 2005 年：研究人員發表絕緣晶體中聲子霍爾效應的首批實驗證據。
- 2023 年 2 月 23 日：黑磷研究將此效應與聲學振動連結，並指出其與聲子平均自由程沒有相關性。
- 2024 年 10 月 1 日：NiPS3 論文第二版刊登於 arXiv。
- 2026 年 3 月 24 日：鈦酸鍶研究記錄缺陷、退火及接點材料的影響。
- 2026 年 10 月 23 日，北京時間：NiPS3 研究配合其於《Science》線上發表的消息對外公布。
整體而言，這些實驗將研究焦點轉向磁性取向、振動耦合與內部應變，視為控制熱側向傳輸的因素。對試圖重現此效應的實驗室而言，測量晶體向前導熱的能力只是工作的一部分，也需要仔細檢視晶體的磁性與結構排列。
重點整理
- 五個 NiPS3 晶體的側向熱導率相差約十倍，但縱向熱傳輸實際上維持不變。
- 霍爾反應與磁各向異性及方向性的磁自由能相呼應，支持其本徵起源。
- 熱霍爾導率在 25 開爾文、14 特斯拉下達到峰值，約為每公尺每開爾文 -1.63 瓦特。
- 磁振子與聲子在接近 3.7 毫電子伏特處交會，可能提供一條途徑，使攜熱振動能對磁場產生反應。
- 黑磷與鈦酸鍶實驗也將此反應與聲子行進距離以外的性質連結，包括振動耦合、缺陷與應變。
