Gate-tunable large second-order and third-order nonlinear Hall effect in topological insulator BiSbTeSe2

在电子学领域，电流在材料中的流动方式通常受严格的对称性规则支配。想象一条交通只能单向流动的道路，除非特定的障碍物被移除；这类似于经典的霍尔效应（Hall effect），该效应需要磁场来打破系统的自然平衡，从而将电子推向侧向。然而，物理学家发现了一类更为微妙的效应，它们完全不需要磁场。这些被称为非线性霍尔效应（nonlinear Hall effects）。这种效应并非电流与电压之间简单的线性关系，而是在电流被加大或使其振荡时，产生一种更为复杂的响应。这是因为材料本身缺乏某种特定的镜像对称性，使得电子在散射过程中即使没有磁场也能产生侧向电压。通过简单的电信号而非笨重的磁铁来控制这些效应，为开发更快、更高效、能以新方式处理信息的电子器件提供了巨大的前景。

南京大学的研究人员现在发现了一种方法，可以在一种被称为拓扑绝缘体（topological insulator）的特定材料中，使这些效应变得更强且更易于控制。这种名为 $\text{BiSbTeSe}_2$ 的材料非常特殊，因为它的内部表现为绝缘体，阻断电流，而其表面则表现为高效的导体。研究团队利用这种材料的薄片构建了微型器件，并将其夹在其他材料层之间，从而创建一个双栅极系统。这一设置使他们能够像精准的调谐器一样，利用两个独立的电栅极来调节表面电子的流动，而不干扰晶体的其余部分。通过向这些器件输入交流电流并测量产生的电压，他们观察到了两种截然不同的非线性霍尔效应：二阶响应和三阶响应。这些项指的是电压信号与输入电流之间的关系：二阶信号出现在输入频率的两倍处，而三阶信号则出现在三倍频率处。

这项发现之所以意义重大，在于研究人员所实现的控制程度。他们发现，只需通过调节栅极电压，就能开启或关闭这些信号的强度，甚至反转其方向。这种可调控性是一个重大的进步，因为此前在类似材料中观察这些效应往往难以控制。团队测量了这些信号的效率，发现二阶效应异常强大，远超在其他拓扑绝缘体系统中观察到的水平。或许最令人印象深刻的是，即使在室温条件下——在这种条件下许多脆弱的量子效应通常会消失——这种强信号依然保持稳定。三阶效应也被观测到，其强度与在其他材料中报道的最佳结果相当，这也标志着首次在强三维拓扑绝缘体中检测到此类信号。

为了理解这些信号的成因，研究人员分析了电压随材料电导率变化的情况。分析表明，二阶效应源于两种机制的结合：一种是电子以特定方式被杂质偏转，另一种是与电子能带形状相关的内在属性。与此同时，三阶效应似乎源于电子波的一种不同内在属性以及更高阶的杂质偏转。团队还排除了包括热效应或简单电学伪影在内的几种替代解释，证实了这些信号是源自材料独特表面态的真实量子现象。

这些信号的行为随着温度的变化呈现出有趣的差异。虽然二阶信号可以持续到 300 开尔文，但三阶信号会随着温度升高而减弱，并在比其对应物更低的温度下消失。这种差异表明，三阶效应对表面电子的主导地位更为敏感，而随着热量导致材料本体（bulk）能更自由地导电，表面电子的影响力会随之减弱。研究人员还通过旋转器件检查了信号的方向，发现三阶响应遵循特定的二重对称模式，这与此类效应的理论预测相符，尽管其对称性破缺的具体微观原因仍是一个悬而未决的问题。

这些发现为未来的电子元件建立了一个稳健的平台。在一种易于操纵的材料中，能够在室温下产生强有力且可调控的非线性信号，这为实际应用指明了清晰的路径。此类器件可用于制造高频整流器（将交流电转换为直流电）或频率倍增器（产生新的信号频率）。通过证明这些效应可以在稳定的室温环境下被工程化和控制，这项工作为无需外部磁场即可运行的新一代非线性电子逻辑器件开启了大门。