最近，微纳电子器件与量子计算机研究院何攀青年研究员等人在拓扑绝缘体Bi2Se3中观测到量子倍频效应（零磁场下），揭示一种不依赖于贝利曲率偶极矩的二阶非线性霍尔效应。2021年1月29日，相关研究成果以“Quantum frequency doubling in the topological insulator Bi2Se3”为题在线发表于《自然•通讯》(DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-20983-1)。
霍尔效应类型丰富，一直是凝聚态物理领域的重要研究方向。2015年麻省理工学院的傅亮教授预言一种对电场二阶响应的非线性霍尔效应，来源于贝利曲率偶极矩。不同于传统的线性霍尔效应，二阶非线性霍尔效应可以存在于时间反演对称条件下。在2019年，麻省理工学院的Jarillo-Herrero课题组和康奈尔大学的K. F. Mak课题组分别在双层和多层WTe2中首次观测到了该二阶非线性霍尔效应，其霍尔电压大小正比于外加电流的平方，迅速成为凝聚态物理研究的热点和新兴领域。二阶非线性霍尔效应为探测非磁材料中的贝利曲率提供了一条有效途径。
要产生贝利曲率偶极矩，晶体材料除了必须具有中心反演对称性破缺外，还需满足其他严苛的对称性要求。三维拓扑绝缘体Bi2Se3的体态具有反演对称性，因此不存在贝利曲率偶极矩以及任何二阶效应。Bi2Se3的表面具有反演对称性破缺，然而受三度旋转对称性的限制（图a），表面态中也不存在贝利曲率偶极矩及其诱导的二阶非线性霍尔效应。然而在零磁场下，研究人员仍然在垂直于电流的方向观测到二次谐波（即倍频效应）的产生（图b），且信号大小与外加电流的平方成正比（图c）。值得一提的是，该实验首次在时间反演对称性下观测到不依赖贝利曲率偶极矩的二阶非线性霍尔效应。当进一步改变外加电流在晶体中的方向（图d左），实验发现非线性霍尔效应的大小发生周期性变化，且呈现三度旋转对称性（图d右）。理论计算结果揭示该新型非线性霍尔效应的物理起源是skew散射（图e）。Skew散射来源于表面态电子波函数本征手性导致的非对称性杂质散射，它受晶体对称性限制较小。Skew散射贡献的非线性霍尔电导率与电子弛豫时间的三次方成正比，有望在高迁移率量子材料中产生巨大的二阶非线性霍尔效应。另外，非线性霍尔效应可用于低噪声二次谐波产生和整流效应，在高频通讯和微波能量收集领域有重要的潜在应用价值。
图：拓扑绝缘体Bi2Se3中的二阶非线性霍尔效应
该工作由复旦大学何攀青年研究员、麻省理工学院傅亮课题组，新加坡国立大学Hyunsoo Yang课题组合作完成。研究工作得到了复旦大学科研启动经费的资助。论文的第一作者为复旦大学何攀青年研究员和麻省理工学院Hiroki Isobe博士后，麻省理工学院傅亮教授和新加坡国立大学Hyunsoo Yang教授为论文通讯作者。
