实验室卢海舟课题组在二阶非线性电子输运理论研究取得进展

近日，南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室、广东省拓扑物态重点实验室、广东省高等学校量子科学基础研究卓越中心、粤港澳大湾区（广东）量子科学中心卢海舟教授课题组在二阶非线性霍尔效应的理论研究与实验合作中取得系列进展。研究团队建立了统一考虑量子几何与无序散射的标度分析框架，提出通过“权重指纹”辨识不同微观机制的方法，从而可对实验中的量子几何贡献进行定量拆分，相关成果以“Scaling analysis of quantum geometry in second-order nonlinear transport”为题，发表在Science Bulletin上。在此基础上，研究团队与中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰、田子傲研究团队、上海科技大学寇煦丰团队等课题组合作，将标度分析应用于晶圆级石墨烯/锗莫尔超晶格实验，通过非线性霍尔电导率与线性纵向电导率间近似线性的关系，识别出贝里曲率偶极矩（BCD）的主导贡献，并结合第一性原理计算解释其显著非线性霍尔响应的微观起源。合作成果以“Wafer-scale low-symmetry graphene moiré superlattice for integrated quantum rectifiers”为题，发表于Science上。这一系列成果体现了量子功能材料全国重点实验室在推动跨单位协同创新、促进基础理论与实验研究深度融合方面的平台作用，展现了南方科技大学与上海科技大学在该研究方向首次联合攻关取得的成效，形成了从非线性输运微观机制的理论研究、实验辨识到晶圆级量子整流器件应用的研究链条。该系列工作为实验辨识二阶非线性电子输运微观机制和整流器件等应用提供了理论框架。

非线性霍尔效应是研究电子波函数量子几何性质的重要途径。与常规线性输运不同，在纵向交流电流驱动下，材料中可以产生二倍频的横向电压。量子度规偶极子（QMD）与贝里曲率偶极子（BCD）能够将电子态的量子几何信息转化为二阶电学响应；与此同时，杂质引起的侧跳（SJ）、斜散射（SK）及其混合机制也会产生非线性信号。由于这些机制可能同时存在，如何从实际测量中分离量子几何与无序散射的贡献，成为理解非线性霍尔效应的重要问题。

图1. 二阶非线性霍尔输运、量子几何与无序散射过程，以及十类微观机制的分类示意^[1]。

针对这一问题，研究团队在半经典输运理论框架下，将量子几何效应与无序散射贡献放在同一体系中讨论，系统归纳了二阶非线性输运的10类机制。其中不仅包括已知的Drude、BCD、QMD、侧跳和斜散射机制，还包括二阶侧跳（2SJ）、二阶斜散射（2SK）以及量子几何与无序散射的混合机制。在此基础上，研究团队建立了横向二阶非线性霍尔电导率与纵向线性电导率之间的四次多项式标度关系：

χyxx = C₄σₓₓ⁴ + C₃σₓₓ³ + C₂σₓₓ² + C₁σₓₓ + C₀

式中，χ表示二阶非线性霍尔电导率，σ表示线性纵向电导率，C₀-C₄为标度系数。不同微观机制在五个多项式项中具有不同的权重分布，因此可以通过拟合系数的组合识别其“权重指纹”。研究发现，在10类机制中，除贝里曲率与斜散射混合机制（BSK）和2SJ的权重指纹相同外，其余8类机制具有可区分的特征。结合晶体对称性、拟合参数的统计显著性及时间反演对称性，这一方法能够帮助判断量子几何与无序散射的相对贡献。

研究团队将标度分析应用于已报道的拓扑反铁磁材料MnBi₂Te₄薄膜实验。对受到黑磷调控的六层MnBi₂Te₄样品，标度分析结果表明QMD机制占主导；对其他两组六层样品及四层样品的标度分析显示，QMD与无序相关的Drude机制可能共同贡献。团队还分析了WTe₂和MoTe₂器件的实验数据，进一步区分BCD、SJ与SK机制在其非线性信号中的贡献。

图2. MnBi₂Te₄薄膜实验数据的二阶非线性霍尔标度分析。圆点为实验数据，曲线为理论拟合，不同微观机制标度项的贡献^[1]。

此外，团队基于磁点群对称性分析了二阶非线性电导张量的允许分量。在122个磁点群中，二维与三维体系分别有9个和20个磁点群允许非零时间反演奇的二阶响应，可用于指导材料、晶向与测量构型的选择。

研究团队还与中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰、田子傲研究团队、上海科技大学寇煦丰团队等课题组合作。合作实验团队采用表面预熔化工程研制了晶圆级低对称性石墨烯/锗莫尔超晶格，使石墨烯/锗体系的有效对称性由D_6h降低至C_1v。实验结果表明，该体系在室温、零磁场下展现出显著的二阶非线性霍尔响应，非线性霍尔电导率约为11 μm·V⁻¹·Ω⁻¹，较现有材料体系高三个数量级。卢海舟研究团队通过第一性原理计算，揭示了该体系显著非线性霍尔响应的原因是，锗的抛物型能带与石墨烯狄拉克锥发生能带杂化，在费米能上方23.2 meV附近形成过倾斜的能带反交叉及微小能隙，进而产生强贝里曲率偶极矩诱导的非线性霍尔响应。研究团队2018年在发表于Physical Review Letters的研究^[3]曾指出倾斜能带反交叉可以增强贝里曲率偶极矩产生显著非线性霍尔效应（该理论第一作者为南方科技大学杜宗正副研究员，合作者为北京大学谢心澄院士）。

图3. 石墨烯/锗杂化能带中的过倾斜反交叉、动量空间贝里曲率热点以及计算得到的二阶非线性霍尔电导率^[2]。

依托这一强室温响应，合作团队通过与半导体后道工艺兼容的制备流程，在4英寸晶圆上集成非线性霍尔整流阵列，可将2.4 GHz Wi-Fi频段的射频输入转化为直流电压。其中，4×4阵列在−16 dBm输入功率下产生约24 mV的直流输出，高于所用商用升压转换器20 mV的启动阈值。随后，合作团队结合升压与电源管理模块，完成了利用射频能量点亮红色发光二极管（LED）的演示，展示出晶圆级非线性霍尔整流器件的应用潜力。

图4. 基于石墨烯/锗莫尔超晶格的晶圆级非线性霍尔整流阵列、射频整流输出以及经电源管理模块驱动LED的演示^[2]。

发表于Science Bulletin的研究成果，南方科技大学为论文第一完成单位，南方科技大学博士生龚振昊与粤港澳大湾区量子科学中心（广东）副研究员杜宗正为共同第一作者。南方科技大学教授卢海舟为通讯作者。深圳技术大学助理教授孙海鹏参与了该项研究。卢海舟教授与谢心澄院士共同指导项目。该工作得到国家重点研发计划、量子科学与技术国家科技重大专项、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省量子科学战略专项、深圳市科技创新委员会相关项目、新基石科学基金会科学探索奖以及南方科技大学计算科学与工程中心等支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.07.062

发表于Science的研究成果，上海微系统所谭文昊、上海科技大学刘久铭、南方科技大学龚振昊和上海微系统所洪云雨为论文共同第一作者；南方科技大学卢海舟教授、上海科技大学寇煦丰教授、上海微系统所田子傲研究员和狄增峰研究员为论文共同通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金委员会、中国科学院战略性先导科技专项、上海市科学技术委员会等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1126/science.aeh3915