在外尔半金属TaIrTe4中观察到“室温三阶非线性霍尔效应”| NSR

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研究者在II型外尔半金属TaIrTe4中观察到了显著的室温三阶非线性霍尔效应，为其在新型量子材料中的应用提供了可能。文章还探讨了可能的物理机制，《国家科学评论》（National Science Review, NSR）近期发文报道了该成果。

霍尔效应一直是凝聚态物理研究的一个主流方向。最近在非磁系统中发现了一种不需要磁场的二阶霍尔效应，拓展了霍尔效应家族的新成员。二阶非线性霍尔效应与对称性和拓扑学有着深厚的联系，其中一个重要物理机制归因于贝里曲率偶极子（Berry curvature dipole）。当线性和二阶的霍尔效应被系统的对称性抑制时，寻找二阶以上更高阶的非线性霍尔效应也是科学家近期关注的热点话题。 

2021年，南洋理工大学高炜博教授和新加坡科技设计大学杨声远教授课题组在在MoTe₂和WTe₂材料报道了三阶非线性霍尔效应[Nat. Nanotechnol. 16, 869–873 (2021)]，并指出该三阶效应起源于能带几何量贝利联络极化率（Berry connection polarization），这是一种不同于二阶非线性霍尔效应的全新的物理机制[Phys. Rev. B 105,045118 (2022)]。

然而，MoTe₂和WTe₂中的三阶非线性霍尔效应只能存在于较低的温度下（<100K），这阻碍了其潜在的应用。因此，能否在室温下观测三阶非线性霍尔效应，成为了目前一个亟待解决的关键问题。

在这篇NSR文章中，高炜博、杨声远课题组在II型外尔半金属TaIrTe₄中观察到了显著的室温三阶非线性霍尔效应，而且该效应能在室温条件下稳定存在至少三个月。TaIrTe₄的三阶非线性霍尔的室温特性和较高的稳定性使得它成为研究三阶非线性霍尔效应的比较好的材料平台。        

在II型外尔半金属TaIrTe₄中观测到室温三阶非线性霍尔效应。(a)多电极器件结构的光学图像; 100K温度下(b)一阶横向霍尔电压与纵向电压之间的关系和(c)横向二阶和三阶非线性霍尔电压与纵向电压之间的关系；（d）室温下测量的三阶横向非线性霍尔电压与纵向电压的关系。横向上所有测量的电压信号都垂直于电流方向，该方向标记在（a）中。 

研究者还对TaIrTe₄中三阶非线性霍尔效应能在室温存在的物理机制进行了探讨。与MoTe₂中三阶非线性效应的对比显示，TaIrTe₄中贝利联络极化率的贡献比重更大。而且，贝利联络极化率贡献的三阶非线性电导要比另外一种非本征的德鲁德(Drude)散射所贡献的三阶非线性电导随温度衰减的慢很多。这可能是在TaIrTe₄观察到室温三阶非线性霍尔效应的原因。这一发现证明了室温非线性霍尔效应的可能性，而且加深了关于贝利联络极化率对三阶霍尔效应的影响的理解。

室温三阶非线性霍尔效应物理机制。(a)纵向电阻与三阶霍尔效应从100到300 K下的角度依赖关系；(b)纵向电导率和(c)三阶霍尔效应与温度的依赖关系；（d）三阶非线性霍尔电导与纵向电导率的平方的关系；（e）三阶非线性霍尔系数（包括德鲁德和贝里曲率偶极矩两项）与温度的依赖关系。

这一工作首次发现了室温三阶非线性霍尔效应，将进一步推动外尔半金属中三阶非线性霍尔效应的可能的室温应用。北京化工大学数理学院（第一完成单位）青年教师王聪、安徽大学青年教师肖瑞春是文章的共同第一作者，南洋理工大学高炜博教授和新加坡科技设计大学杨声远教授为共同通讯作者，新加坡科技设计大学刘慧颖博士参与了理论模型构建。该项目得到了新加坡自然科学基金、新加坡教育部基金、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务基费基金的资助。

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