通訊單位：National University of Singapore

DOI：10.1038/s41565-020-00839-3

背景介紹

幾何相位和拓撲之間的緊密聯絡使得基於霍爾效應的現象已成為現代材料和物理學的主要研究重點之一，這促使了人們對物質拓撲態的探索和許多相應實際應用的開發。在線性響應方式下，霍爾電導率需要透過磁化或外部磁場來打破時間反演對稱性。但最近的一項研究預測，在非線性響應條件下，霍爾電導率在存在時間反演對稱性但反演對稱性破缺的情況下仍可以存在，這被稱為非線性霍爾效應（NLHE）。NLHE是一種可以在沒有磁場的情況下產生橫向電壓的現象，它為整流或倍頻提供了潛在的替代方法。

特別地，二階非線性表現出兩個成分：一個是電壓以驅動交流電的頻率（2ω）的兩倍振盪；第二個即是非線性。另一個分量是由於整流作用而產生的直流電。因此，NLHE可用於如能量收集，無線通訊和紅外探測器等需要倍頻或整流的應用中，但這些應用要求在室溫下檢測到NLHE。儘管目前對拓撲材料和2D材料中的NLHE進行了多項研究，但尚未實現室溫NLHE，低溫檢測限制了其進一步的應用。

本文亮點

1、作者首次實驗觀察到了II型Weyl半金屬TaIrTe4的室溫NLHE，由於反演對稱性的破缺和費米能級的大譜帶重疊，其表現出穩健的室溫NLHE。

2、對TaIrTe4中Berry 曲率偶極子（BCD）的理論計算表明，透過逐漸增加化學勢μE，相應的BCD會改變符號，從而驗證了NLHE到費米麵的敏感性。

3、基於在TaIrTe4中觀察到的室溫NLHE，作者實現了零外部偏置和磁場的無線射頻（RF）整流。

4、基於NLHE這項工作為在Weyl半金屬中實現室溫應用打開了大門。

圖文解析

▲圖1. 20 nm厚度霍爾棒的TaIrTe4器件中的NLHE

要點：

1、作者選擇擁有最少數量的、分離良好的Weyl點，且具有破缺反演對稱性的II型T-WSM TaIrTe4系統對NLHE進行研究。

2、作者透過將Td-TaIrTe4單晶機械剝離到高電阻氧化矽晶片上、選擇長方形的TaIrTe4薄片並沿結晶方向進行構圖來製造NLHE器件。

3、僅當沿著鏡對稱平面的軸（晶體的a軸）施加電場並且相當大的、可持續到室溫的NLHE時，才能觀察到NLHE的存在。

▲圖2. NLH電壓符號隨化學勢移動的變化

要點：

1、作者還觀察到了TaIrTe4中NLHE的溫度誘導的符號反轉即NLH電壓的符號在~175 K處發生變化即反轉。

2、理論計算表明，觀察到的符號反轉是溫度引起的化學勢移動的結果，這表明NLHE與費米表面的電子結構直接相關。

▲圖3. 厚度依賴的NLH訊號

▲圖4. TaTerTe4中基於NLHE的整流應用

要點：

1、對於塊體TaIrTe4的性質，還將進一步研究NLHE的厚度依賴性，以驗證NLHE固有的晶體對稱性約束。

2、作者證明了TaIrTe4中的NLHE可用於無電池RF能量收集的應用。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00839-3

作者簡介

Hyunsoo Yang

Hyunsoo Yang，新加坡國立大學電子與計算機工程系的Globalfoundries首席教授。1998-2006年，先後獲得國立首爾大學學士學位和斯坦福大學碩士博士學位。目前從事各種磁性材料和自旋電子學應用器件的研究。發表論文170篇論文，做過100次邀請報告，擁有15項專利。獲得過IEEE Distinguished Lecturership of the Magnetics Society for 2019、Minister of Science ICT award、American Physical Society (GMAG) Outstanding Dissertation Award for 2006等獎項。

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