近日，北京理工大学物理学院的姚裕贵教授、段俊熙副教授团队在基于转角双层-双层石墨烯的二阶非线性效应探测与调控中取得重要进展，研究成果发表于国际顶级期刊《Nano Letters》。

霍尔效应在凝聚态物理研究中有着非常重要的地位。如贝里相位、拓扑陈数等诸多物理概念都是在对霍尔效应量子本质的研究中被启发。同时，霍尔效应的探究还在新一代纳米电子学器件和量子信息等量子科学应用领域中催生了莫大变革。然而，在线性响应下要获得非零霍尔信号，体系需要破缺时间反演对称性。近年来有理论提出，在维持时间反演对称性时，体系在二阶非线性响应下仍可存在横向的电子输运。这种二阶非线性输运效应不仅可用于探索电子态和能带结构的高阶拓扑性质，还在信号倍频、整流等方面的巨大应用价值。

在二阶响应下，非线性霍尔输运起源于空间反演对称性的破缺。贝里曲率可以在空间反演对称性破缺下于动量空间产生不均匀分布，成为所谓“贝里曲率偶极子”。另一方面，二阶非线性响应下，螺散射机制也会在某些条件下导致极强的非线性输运。这两种主要机制都可以使得电子在外加交变电场的驱动下实现二倍频率的横向运动。然而，实验已报道的二阶非线性霍尔输运的电导率都相对较小。此外，尚未有实验工作在同一个体系中实现对这两种主要机制的有效调控。这些都极大限制了对这两种机制背后物理特性的深入挖掘。

北京理工大学姚裕贵教授、段俊熙副教授团队长期致力于新型二维拓扑材料输运性质的研究。该团队已经在二阶非线性输运实验研究中开展了一系列工作，包括研究了转角双层石墨烯中的非线性霍尔效应[Junxi Duan et.al., Phys. Rev. Lett. 129, 186801 (2022)]以及实现了Fe₅GeTe₂/Al_xO₃界面诱导的贝里曲率偶极子[Jinrui Zhong et.al., Phys. Rev. Applied 21, 024044 (2024)]。为了探索对二阶非线性霍尔效应机制的有效调控以及获得更强的二阶非线性横向输运信号，研究团队选择了高质量的转角双层-双层石墨烯样品作为研究体系。这一体系有以下几个优势：（1）该体系存在由双栅高度可控的拓扑平带，其中电子态和贝里曲率分布可以被有效调控；（2）相比于转角双层石墨烯，该体系受额外的层间偏置电场调控，可以同时分别调控能带结构和费米能级；（3）该体系存在范霍夫奇点以及超高载流子迁移率，对获得巨大非线性输运信号至关重要。

图1. 转角双层-双层石墨烯中有报导以来最大的二阶非线性霍尔输运信号

该研究工作有以下两个亮点：（1）实现了目前实验报道的最大的非线性霍尔输运信号，获得的二阶非线性霍尔电导比之前实验报导的最大值高出接近两个数量级，如图1所示；（2）通过改变层间偏置电场，在拓扑平带带边首次实现了调控两种主要机制对二阶非线性输运的贡献，观测到了由贝里曲率偶极子主导的向由螺散射主导的机制转变，如图2所示。这表明转角双层-双层石墨烯是富有潜力的研究二阶非线性输运的平台，对拓宽非线性输运和能带拓扑物性的研究有重大意义。

图2. 转角双层-双层石墨烯中两种非线性霍尔输运机制的调控

北京理工大学为该研究工作的第一完成单位。北京理工大学的段俊熙副教授和姚裕贵教授、中国科学院大学的毛金海教授以及上海科技大学的刘健鹏教授为本文的通讯作者。北京理工大学物理学院博士研究生钟锦锐为论文第一作者，湖南大学的张世豪副教授（研究工作开展期间为上海科技大学博士后）为论文的共同第一作者。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京市重点、中科院先导项目以及北京理工大学微纳技术中心的支持。

Jinrui Zhong#, Shihao Zhang#, Junxi Duan*, Huimin Peng, Qi Feng, Yuqing Hu, Qinsheng Wang, Jinhai Mao*, Jianpeng Liu*, and Yugui Yao*，“Effective Manipulation of a Colossal Second-Order Transverse Response in an Electric-Field-Tunable Graphene Moiré System”，Nano Lett. 24, 5791−5798 (2024)  (#为共同一作，*为通讯作者)

URL：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00933