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原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
凝聚態(tài)物理中的量子幾何有兩個(gè)組成部分：實(shí)部量子度量和虛部Berry曲率。盡管Berry曲率的影響已經(jīng)通過二維電子氣中的量子霍爾效應(yīng)和鐵磁體中的反常霍爾效應(yīng)(AHE)等現(xiàn)象被觀測(cè)到，但是量子度量卻很少被研究。
有鑒于此，哈佛大學(xué)Su-Yang Xu等人通過將偶數(shù)層MnBi2Te4與黑磷連接，報(bào)道了一種由量子度量偶極子引起的非線性霍爾效應(yīng)。量子度量非線性霍爾效應(yīng)在反轉(zhuǎn)AFM自旋時(shí)發(fā)生方向切換，并表現(xiàn)出與散射時(shí)間無關(guān)的明顯標(biāo)度性。該結(jié)果為發(fā)現(xiàn)理論預(yù)測(cè)的量子度量響應(yīng)打開了大門，并為將非線性電子學(xué)與AFM自旋電子學(xué)聯(lián)系起來的應(yīng)用鋪平了道路。
非線性霍爾效應(yīng)
非線性電輸運(yùn)是整流和波混頻等應(yīng)用的基礎(chǔ)。最著名的非線性器件是PN二極管，非中心對(duì)稱極性材料與PN二極管類似，表現(xiàn)出本征的非線性電輸運(yùn)。二極管和非中心對(duì)稱導(dǎo)體中的非線性輸運(yùn)都是由反型不對(duì)稱電荷分布引起的。宇稱反轉(zhuǎn)時(shí)間反演(PT)對(duì)稱反鐵磁體(AFMs)是研究自旋是否也能導(dǎo)致電非線性的理想平臺(tái)。作者報(bào)道了量子度量偶極子誘導(dǎo)的二階反常霍爾效應(yīng)(AHE)的觀測(cè)，設(shè)計(jì)并制備了一個(gè)可行的材料平臺(tái)，并展示了量子度量非線性霍爾效應(yīng)的出現(xiàn)。
圖 PT對(duì)稱反鐵磁體中的自旋誘導(dǎo)電非線性
AFM自旋誘導(dǎo)非線性
作者制備了30個(gè)BP/均勻?qū)訝頜nBi2Te4異質(zhì)結(jié)器件，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)確認(rèn)了器件中MnBi2Te4的厚度。在這30個(gè)器件中，都觀察到了非線性霍爾效應(yīng)，其行為與AFM的階數(shù)、空間方向、散射時(shí)間、垂直電場(chǎng)和摻雜一致。此外，還確定了BPs和MnBi2Te4的晶體a軸是對(duì)齊的。這種精心控制的結(jié)構(gòu)對(duì)于保持MnBi2Te4的PT對(duì)稱性非常重要，它確保了Berry曲率和Berry曲率偶極子的消失。
圖 反鐵磁非線性霍爾效應(yīng)的觀察
排除競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制
研究表明，可以區(qū)分Berry曲率偶極子Dsey和量子度量偶極子Daric·DBery的非線性Hall信號(hào)與AFM階數(shù)之間的觀測(cè)關(guān)系可以理解為Berry曲率在費(fèi)米面周圍的分布，使得費(fèi)米面一側(cè)的Berry曲率大于另一側(cè)。當(dāng)觀察到AFM的階數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)，非線性霍爾信號(hào)發(fā)生符號(hào)變化，導(dǎo)致觀察到的非線性霍爾信號(hào)的偶極子也必須發(fā)生翻轉(zhuǎn)。還研究了非線性電導(dǎo)率隨電荷密度的演化。在電中性間隙內(nèi)，非線性霍爾信號(hào)為零。這與非線性霍爾效應(yīng)是費(fèi)米面性質(zhì)的預(yù)期是一致的。當(dāng)將費(fèi)米能級(jí)調(diào)離電中性時(shí)，非線性霍爾信號(hào)就出現(xiàn)了。重要的是，電子和空穴區(qū)域的電導(dǎo)率具有相同的符號(hào)。當(dāng)深入到電子摻雜區(qū)域時(shí)，信號(hào)發(fā)生反轉(zhuǎn)。
圖 非線性霍爾效應(yīng)的系統(tǒng)研究
可能的基于AFM自旋的無線整流
二階非線性效應(yīng)不僅可以實(shí)現(xiàn)倍頻，還可以實(shí)現(xiàn)整流。作者利用AFM固有的非線性霍爾效應(yīng)，在零外偏壓(無電池)和無磁場(chǎng)的情況下演示了無線整流。作者展示了注入微波輻射并測(cè)量直流信號(hào)，觀察到明顯的整流直流電壓對(duì)微波輻射的響應(yīng)，表現(xiàn)出寬帶響應(yīng)。除了本征量子度量偶極子外，諸如金屬-MnBi2Te4結(jié)處的肖特基二極管、MnBi2Te4內(nèi)部的非本征二極管以及兩個(gè)柵極之間的間隙也可以導(dǎo)致微波整流。
圖 以量子度量偶極子作為微觀幾何起源
參考文獻(xiàn)：
ANYUAN GAO, et al. Quantum metric nonlinear Hall effect in a topological antiferromagnetic heterostructure. Science, 2023, 381(6654): 181-186
DOI: 10.1126/science.adf1506
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1506
