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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

凝聚态物理中的量子几何有两个组成部分：实部量子度量和虚部Berry曲率。尽管Berry曲率的影响已经通过二维电子气中的量子霍尔效应和铁磁体中的反常霍尔效应(AHE)等现象被观测到，但是量子度量却很少被研究。

有鉴于此，哈佛大学Su-Yang Xu等人通过将偶数层MnBi₂Te₄与黑磷连接，报道了一种由量子度量偶极子引起的非线性霍尔效应。量子度量非线性霍尔效应在反转AFM自旋时发生方向切换，并表现出与散射时间无关的明显标度性。该结果为发现理论预测的量子度量响应打开了大门，并为将非线性电子学与AFM自旋电子学联系起来的应用铺平了道路。

非线性霍尔效应

非线性电输运是整流和波混频等应用的基础。最著名的非线性器件是PN二极管，非中心对称极性材料与PN二极管类似，表现出本征的非线性电输运。二极管和非中心对称导体中的非线性输运都是由反型不对称电荷分布引起的。宇称反转时间反演(PT)对称反铁磁体(AFMs)是研究自旋是否也能导致电非线性的理想平台。作者报道了量子度量偶极子诱导的二阶反常霍尔效应(AHE)的观测，设计并制备了一个可行的材料平台，并展示了量子度量非线性霍尔效应的出现。

图  PT对称反铁磁体中的自旋诱导电非线性

AFM自旋诱导非线性

作者制备了30个BP/均匀层状MnBi₂Te₄异质结器件，为系统数据确认了器件中MnBi₂Te₄的厚度。在这30个器件中，都观察到了非线性霍尔效应，其行为与AFM的阶数、空间方向、散射时间、垂直电场和掺杂一致。此外，还确定了BPs和MnBi₂Te₄的晶体a轴是对齐的。这种精心控制的结构对于保持MnBi₂Te₄的PT对称性非常重要，它确保了Berry曲率和Berry曲率偶极子的消失。

图  反铁磁非线性霍尔效应的观察

排除竞争机制

研究表明，可以区分Berry曲率偶极子D_sey和量子度量偶极子D_aric·D_Bery的非线性Hall信号与AFM阶数之间的观测关系可以理解为Berry曲率在费米面周围的分布，使得费米面一侧的Berry曲率大于另一侧。当观察到AFM的阶数反转时，非线性霍尔信号发生符号变化，导致观察到的非线性霍尔信号的偶极子也必须发生翻转。还研究了非线性电导率随电荷密度的演化。在电中性间隙内，非线性霍尔信号为零。这与非线性霍尔效应是费米面性质的预期是一致的。当将费米能级调离电中性时，非线性霍尔信号就出现了。重要的是，电子和空穴区域的电导率具有相同的符号。当深入到电子掺杂区域时，信号发生反转。

图  非线性霍尔效应的系统研究

可能的基于AFM自旋的无线整流

二阶非线性效应不仅可以实现倍频，还可以实现整流。作者利用AFM固有的非线性霍尔效应，在零外偏压(无电池)和无磁场的情况下演示了无线整流。作者展示了注入微波辐射并测量直流信号，观察到明显的整流直流电压对微波辐射的响应，表现出宽带响应。除了本征量子度量偶极子外，诸如金属-MnBi₂Te₄结处的肖特基二极管、MnBi₂Te₄内部的非本征二极管以及两个栅极之间的间隙也可以导致微波整流。

图  以量子度量偶极子作为微观几何起源

参考文献：

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