哈工大校友一作！霍尔效应，再发Nature Materials！

研究背景

非对称电荷传输是近年来因其在探索量子对称性及应用潜力方面的重要性而成为研究热点。然而，传统的非对称电荷传输主要在纵向方向观察到，且非对称电阻通常仅为欧姆电阻的微小部分，因此难以在直流传输测量中观测到这一现象。为了解决这一问题，科学家们开始研究横向非对称霍尔效应（NRHE）。与传统的非对称传输不同，NRHE表现出二次电流-电压特性，并且在高电流下展现出发散的非对称性，这一现象使得其成为研究的焦点。

成果简介

针对这一挑战，美国宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University）Lujin Min，Zhiqiang Mao等团队携手在Nature Materials期刊上发表了题为“Colossal room-temperature non-reciprocal Hall effect”的最新论文。研究人员通过聚焦离子束（FIB）技术在硅基板上制备了微米尺度的铂（Pt）霍尔设备。研究发现，这种由FIB沉积的铂纳米颗粒的几何不对称散射所引发的横向非对称霍尔效应在室温下表现出了显著的效果。

该现象不仅局限于FIB沉积的铂电极，还能够通过霍尔电流注入传播到相邻的导体（如金和NbP），产生巨大的霍尔角，展示了NRHE在高频混频和无线微波探测中的应用潜力。这一发现验证了横向非对称霍尔效应的存在，并为未来的太赫兹通信、成像以及能量收集开辟了新的应用方向。

值得一提的是，本文第一作者是哈尔滨工业大学校友。

研究亮点

1. 实验首次观察到了一种横向非相等的非互易霍尔效应（NRHE），该效应表现为二次电流-电压特性，并且具有发散的非互易性。通过聚焦离子束沉积的铂（Pt）微型霍尔器件，研究人员成功地在室温下验证了这一现象。

2. 实验通过聚焦离子束沉积（FIBD）技术，将Pt纳米粒子沉积在硅基底上，发现非互易霍尔效应主要来源于FIBD-Pt中纹理化Pt纳米粒子的几何不对称散射。这种效应不仅仅在Pt电极内产生，而且能够通过霍尔电流注入传递到相邻的导体，如Au和NbP中，产生巨大的非互易效应及异常霍尔角。

3. 通过实验，研究人员还展示了NRHE在宽带频率混合和无线微波检测中的应用潜力，揭示了这种现象在太赫兹通信、成像和能量收集等领域的广泛应用前景。

图文解读

图1: 聚焦离子束沉积focused-ion-beam-deposited，FIBD-铂Pt中的非互易霍尔效应non-reciprocal Hall effect，NRHE。

图2: 非互易霍尔效应NRHE转移到NbP。

图3: 从铂Pt转移的NbP中的较大非线性反常霍尔效应。

图4: 聚焦离子束FIB-铂Pt中，非互易霍尔效应NRHE的可能机制，以及通过聚焦离子束FIB扫描方向操纵非互易性霍尔电压的极性。

图5: 通过非互易霍尔效应NRHE的宽带混频。

结论展望

强非线性霍尔效应（NRHE）不仅具有重要的应用前景，还能够催生出新的功能特性，特别是在宽频段电子频率混合方面。研究表明，FIBD-Pt设备的强NRHE能够在室温下实现多频混合，包括二次谐波、和频、差频及其他多重波混合信号，这一特性为新型传感器和通信技术提供了新的思路。更重要的是，NRHE的非线性特性能够扩展到吉赫兹频段，从而在无线频率探测和微波传感器领域展示出巨大的潜力。

此外，本研究还揭示了材料结构和加工工艺对NRHE性能的影响，尤其是Pt的沉积方式和衬底的选择对设备性能的显著影响。这些发现为设计和优化未来的非线性电子器件提供了宝贵的参考，并推动了量子材料和自旋电子学的进一步发展。

文献信息

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

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