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研究背景

非對(duì)稱電荷傳輸是近年來因其在探索量子對(duì)稱性及應(yīng)用潛力方面的重要性而成為研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的非對(duì)稱電荷傳輸主要在縱向方向觀察到，且非對(duì)稱電阻通常僅為歐姆電阻的微小部分，因此難以在直流傳輸測(cè)量中觀測(cè)到這一現(xiàn)象。為了解決這一問題，科學(xué)家們開始研究橫向非對(duì)稱霍爾效應(yīng)（NRHE）。與傳統(tǒng)的非對(duì)稱傳輸不同，NRHE表現(xiàn)出二次電流-電壓特性，并且在高電流下展現(xiàn)出發(fā)散的非對(duì)稱性，這一現(xiàn)象使得其成為研究的焦點(diǎn)。

成果簡(jiǎn)介

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)（The Pennsylvania State University）Lujin Min，Zhiqiang Mao等團(tuán)隊(duì)攜手在Nature Materials期刊上發(fā)表了題為“Colossal room-temperature non-reciprocal Hall effect”的最新論文。研究人員通過聚焦離子束（FIB）技術(shù)在硅基板上制備了微米尺度的鉑（Pt）霍爾設(shè)備。研究發(fā)現(xiàn)，這種由FIB沉積的鉑納米顆粒的幾何不對(duì)稱散射所引發(fā)的橫向非對(duì)稱霍爾效應(yīng)在室溫下表現(xiàn)出了顯著的效果。

該現(xiàn)象不僅局限于FIB沉積的鉑電極，還能夠通過霍爾電流注入傳播到相鄰的導(dǎo)體（如金和NbP），產(chǎn)生巨大的霍爾角，展示了NRHE在高頻混頻和無線微波探測(cè)中的應(yīng)用潛力。這一發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了橫向非對(duì)稱霍爾效應(yīng)的存在，并為未來的太赫茲通信、成像以及能量收集開辟了新的應(yīng)用方向。

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值得一提的是，本文第一作者是哈爾濱工業(yè)大學(xué)校友。

研究亮點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)首次觀察到了一種橫向非相等的非互易霍爾效應(yīng)（NRHE），該效應(yīng)表現(xiàn)為二次電流-電壓特性，并且具有發(fā)散的非互易性。通過聚焦離子束沉積的鉑（Pt）微型霍爾器件，研究人員成功地在室溫下驗(yàn)證了這一現(xiàn)象。

2. 實(shí)驗(yàn)通過聚焦離子束沉積（FIBD）技術(shù)，將Pt納米粒子沉積在硅基底上，發(fā)現(xiàn)非互易霍爾效應(yīng)主要來源于FIBD-Pt中紋理化Pt納米粒子的幾何不對(duì)稱散射。這種效應(yīng)不僅僅在Pt電極內(nèi)產(chǎn)生，而且能夠通過霍爾電流注入傳遞到相鄰的導(dǎo)體，如Au和NbP中，產(chǎn)生巨大的非互易效應(yīng)及異常霍爾角。

3. 通過實(shí)驗(yàn)，研究人員還展示了NRHE在寬帶頻率混合和無線微波檢測(cè)中的應(yīng)用潛力，揭示了這種現(xiàn)象在太赫茲通信、成像和能量收集等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。

圖文解讀

圖1: 聚焦離子束沉積focused-ion-beam-deposited，F(xiàn)IBD-鉑Pt中的非互易霍爾效應(yīng)non-reciprocal Hall effect，NRHE。

圖2: 非互易霍爾效應(yīng)NRHE轉(zhuǎn)移到NbP。

圖3: 從鉑Pt轉(zhuǎn)移的NbP中的較大非線性反常霍爾效應(yīng)。

圖4: 聚焦離子束FIB-鉑Pt中，非互易霍爾效應(yīng)NRHE的可能機(jī)制，以及通過聚焦離子束FIB掃描方向操縱非互易性霍爾電壓的極性。

圖5: 通過非互易霍爾效應(yīng)NRHE的寬帶混頻。

結(jié)論展望

強(qiáng)非線性霍爾效應(yīng)（NRHE）不僅具有重要的應(yīng)用前景，還能夠催生出新的功能特性，特別是在寬頻段電子頻率混合方面。研究表明，F(xiàn)IBD-Pt設(shè)備的強(qiáng)NRHE能夠在室溫下實(shí)現(xiàn)多頻混合，包括二次諧波、和頻、差頻及其他多重波混合信號(hào)，這一特性為新型傳感器和通信技術(shù)提供了新的思路。更重要的是，NRHE的非線性特性能夠擴(kuò)展到吉赫茲頻段，從而在無線頻率探測(cè)和微波傳感器領(lǐng)域展示出巨大的潛力。

此外，本研究還揭示了材料結(jié)構(gòu)和加工工藝對(duì)NRHE性能的影響，尤其是Pt的沉積方式和襯底的選擇對(duì)設(shè)備性能的顯著影響。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)和優(yōu)化未來的非線性電子器件提供了寶貴的參考，并推動(dòng)了量子材料和自旋電子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

Min, L., Zhang, Y., Xie, Z. et al. Colossal room-temperature non-reciprocal Hall effect. Nat. Mater. (2024).

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