研究背景
随着二维材料的不断发展，量子霍尔效应（QHE）成为了研究的热点。QHE 是一种在强磁场和低温条件下观察到的现象，其中二维电子气体中的霍尔电阻呈现出量化的台阶状行为，同时纵向电阻为零。这一效应首先在1980年被发现，并在石墨烯等新型二维材料中得到了广泛的研究。量子霍尔效应的独特之处在于其电阻平台值的量化特性，这为拓扑物态的研究提供了重要的实验基础。然而，尽管量子霍尔效应在二维电子系统中得到了广泛的探索，量子霍尔态下的高阶非线性响应仍然是一个未被深入研究的领域。近年来，随着对非线性电输运的研究深入，第二阶非线性霍尔效应在一些材料中已被观察到，显示出其独特的物理特性。与此不同，第三阶非线性霍尔效应的研究较少，特别是在量子霍尔态下的表现尚未被详细探讨。现有研究主要集中在线性霍尔效应的量化特征上，对于高阶非线性响应的探索几乎没有涉及，这限制了对量子霍尔态的全面理解。为此，复旦大学何攀研究员,沈健教授，日本九州大学Hiroki Isobe，新加坡国立大学Gavin Kok Wai Koon，Junxiong Hu，日本理化研究所新兴物质科学中心Naoto Nagaosa等人合作聚焦于石墨烯中的量子霍尔态，探索其第三阶非线性霍尔效应。他们通过系统的实验观察到，当石墨烯样品调整至量子霍尔态时，第三阶霍尔效应表现出明显的非零电压平台，并且这一平台的电压随电流立方比例变化。与传统的量子霍尔效应不同，第三阶霍尔效应的平台在不同的温度、磁场和电流范围内保持稳定，同时对环境条件不敏感，但与器件的特性相关。此外，这一非线性响应在不同几何形状和堆叠配置的石墨烯器件中均能观测到。相关成果在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Third-order nonlinear Hall effect in a quantum Hall system”的最新论文。 本研究通过揭示量子霍尔态的第三阶非线性响应，解决了高阶非线性霍尔效应在量子霍尔态下的存在与特性这一关键问题。作者的研究不仅展示了非线性霍尔响应的稳健平台，还揭示了这一现象对边缘态性质的深刻影响。这一发现为量子霍尔态的研究提供了新的视角，并可能为其他量子霍尔系统中的非线性响应提供重要的实验依据。
科学亮点
（1）实验首次观察到量子霍尔态中的第三阶霍尔效应：在石墨烯的显著量子霍尔态中，作者首次观察到了一个明确的第三阶霍尔效应平台。该平台的存在显示了非线性霍尔效应在量子霍尔态中的新特征，与电流的立方成正比，而纵向电压保持为零。此效应在不同几何形状和堆叠配置的石墨烯器件中均能观察到。（2）实验通过广泛的条件测试，揭示了第三阶霍尔效应的稳健性和依赖性：在温度、磁场和电流的广泛范围内，第三阶霍尔效应的平台结构持续存在，并且其高度对环境条件（如磁场和温度）的变化不敏感，而对器件特性有所变化。（3）第三阶非线性响应的极性依赖于磁场方向和载流子类型（电子或空穴），其值在磁场方向反转时会改变。尽管在微安电流下可以观察到非线性响应，但在纳安电流下则被强烈抑制。此现象揭示了量子霍尔态的非线性特征，提供了关于边缘态电子-电子相互作用的新见解，并可能为研究复合费米子和量化非线性电导提供新的方法。
图文解读
图1：在经典和量子域中，线性霍尔效应和非线性霍尔效应示意图。图2：在量子霍尔态quantum Hall states，QHSs内，三阶非线性霍尔平台的观测结果。 图3：在量子霍尔态QHSs内，三阶霍尔效应的立方电流依赖性。图4：磁场和温度，对量子霍尔态QHS三阶非线性响应的影。
总结展望
传统上，量子霍尔效应被理解为一种线性响应现象，其中霍尔电阻显示为量化的常数，而纵向电阻则为零。然而，本文首次观察到在石墨烯的量子霍尔态中，存在明确的第三阶非线性霍尔平台，这表明在这些状态下，电子的响应不仅仅是线性的。首先，它挑战了传统对量子霍尔效应的理解，揭示了量子霍尔态下的高阶非线性响应现象。该现象在广泛的温度、磁场和电流范围内稳定存在，且在不同几何形状和堆叠配置的石墨烯器件中均可观察到，显示出非线性霍尔效应的普适性和鲁棒性。这为进一步研究量子霍尔态中的电子相互作用和边缘态的性质提供了新的实验依据。其次，本文的结果表明，量子霍尔态中的非线性响应可能在其他量子霍尔系统中也会出现，尤其是在更极端的条件下。这为量子霍尔效应的研究开辟了新的方向，提示未来的研究可能会发现更多的非线性响应现象。此外，研究表明，非线性霍尔效应与材料的具体性质和量子霍尔态的稳定性密切相关，可能会挑战现有的量子霍尔电阻量化理论。最后，本文的发现为研究分数量子霍尔效应和其他量子现象提供了新的思路，尤其是在探索电子-电子相互作用和边缘态带曲率方面。这些新发现不仅有助于深入理解量子霍尔效应的本质，还可能为未来的量子电子器件和新型材料的设计提供理论基础和实验参考。He, P., Isobe, H., Koon, G.K.W. et al. Third-order nonlinear Hall effect in a quantum Hall system. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01730-1
