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近日，南洋理工大學(xué)教授高煒博和新加坡科技設(shè)計大學(xué)教授楊聲遠課題組在II型外爾(Weyl)半金屬TaIrTe4(鉭銥碲)中觀察到了顯著的室溫三階非線性霍爾效應(yīng)，為其在新型量子材料中的應(yīng)用提供了可能。相關(guān)成果發(fā)表在《國家科學(xué)評論》(NSR)上。

霍爾效應(yīng)一直是凝聚態(tài)物理研究的一個主流方向。近年來，科學(xué)家們在非磁系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了一種不需要磁場的二階霍爾效應(yīng)，拓展了霍爾效應(yīng)家族的新成員。二階非線性霍爾效應(yīng)與對稱性和拓撲學(xué)有著深厚的聯(lián)系，其中一個重要物理機制歸因于貝里曲率偶極子(Berry curvature dipole)。當(dāng)線性和二階的霍爾效應(yīng)被系統(tǒng)的對稱性抑制時，尋找二階以上更高階的非線性霍爾效應(yīng)也是科學(xué)家近期關(guān)注的熱點話題。

2021年，高煒博和楊聲遠課題組報道了在MoTe2(二碲化鉬)和WTe2(二碲化鎢)材料中的三階非線性霍爾效應(yīng)，并指出該三階效應(yīng)起源于能帶幾何量貝利聯(lián)絡(luò)極化率(Berry connection polarization)，這是一種不同于二階非線性霍爾效應(yīng)的全新的物理機制。

然而，MoTe2和WTe2中的三階非線性霍爾效應(yīng)只能存在于小于100k的較低溫度下，這阻礙了其潛在的應(yīng)用。因此，能否在室溫下觀測三階非線性霍爾效應(yīng)，成為了目前一個亟待解決的關(guān)鍵問題。

在本研究中，課題組在II型外爾半金屬TaIrTe4中觀察到了顯著的室溫三階非線性霍爾效應(yīng)，而且該效應(yīng)能在室溫條件下穩(wěn)定存在至少三個月。TaIrTe4的三階非線性霍爾的室溫特性和較高的穩(wěn)定性，使得它成為研究三階非線性霍爾效應(yīng)的比較好的材料平臺。

課題組還對TaIrTe4中三階非線性霍爾效應(yīng)能在室溫存在的物理機制進行了探討。與MoTe2中三階非線性效應(yīng)的對比顯示，TaIrTe4中貝利聯(lián)絡(luò)極化率的貢獻比重更大。而且，貝利聯(lián)絡(luò)極化率貢獻的三階非線性電導(dǎo)，要比另外一種非本征的德魯?shù)?Drude)散射所貢獻的三階非線性電導(dǎo)隨溫度衰減得慢很多。這可能是在TaIrTe4觀察到室溫三階非線性霍爾效應(yīng)的原因。

課題組表示，這一發(fā)現(xiàn)證明了室溫非線性霍爾效應(yīng)的可能性，而且加深了關(guān)于貝利聯(lián)絡(luò)極化率對三階霍爾效應(yīng)的影響的理解，將進一步推動外爾半金屬中三階非線性霍爾效應(yīng)的可能的室溫應(yīng)用。

北京化工大學(xué)數(shù)理學(xué)院青年教師王聰、安徽大學(xué)青年教師肖瑞春為該文章共同第一作者。(作者：鄭金武)