哈佛团队在反铁磁拓扑材料与黑磷异质结中，观测到量子度规非线性霍尔效应

来源：DeepTech深科技

爱因斯坦的广义相对论认为：宇宙中，天体的运动由引力主导，而引力的本质是物体质量造成时空弯曲的几何现象。也就是说，这种时空几何弯曲会影响其他天体的运动，进而改变其运动轨迹。

然而，电子在量子材料中的运动并不能用爱因斯坦的广义相对论的时空几何来描述，而是用电子的波动方程来描述。也就是说，电子的运动可以用电子波函数的几何——量子几何来描述。

类比时空几何的弯曲产生引力场对天体的运动产生影响，电子在量子材料中的运动可以理解为量子几何产生的“引力”效应，影响了电子的运动。

量子几何由实部和虚部两个部分组成。在近二三十年里，相关领域的科学家们已经对量子几何的虚部贝里曲率进行了广泛研究，许多关于贝利曲率的量子现象被观测到，例如：二维电子气中的量子霍尔效应；铁磁体中的反常霍尔效应；过渡金属硫族化合物中的谷霍尔效应等等。量子几何的实部量子度规，与贝里曲率应同等重要，但却少有研究。

量子度规描述了电子波函数在希尔伯特空间中的距离。通俗地讲，量子度规的大小表达了波函数随动量的变化快慢。

电子的波函数变化越大，量子度规就越大，对电子运动的影响也就越明显。类比时空几何，可以理解为电子波函数的几何结构弯曲可以影响电子的运动。量子度规，就是用来描述电子是如何在这种作用下运动的。

近两三年来，理论学家已经预言了一些由量子度规产生的新奇量子现象，其中之一就是量子度规非线性霍尔效应。该现象要求材料破坏时间反应对称性、空间反应对称性以及旋转对称性。

为了证实这种效应，近期，来自美国哈佛大学的徐苏扬研究团队将偶数层反铁磁拓扑材料锰铋碲（MnBi2Te4）与黑磷界组装成异质结构，成功观测到了由量子度规偶极子诱导的非线性霍尔效应。

他们发现，量子度规非线性霍尔效应随反铁磁的自旋反转而改变方向，因此可用于电学读取反铁磁的状态，促进了反铁磁体自旋电子的发展。他们还发现，该量子度规非线性霍尔效应不受散射的影响，这也是首次观测到无散射的非线性霍尔效应。

图丨量子度规非线性霍尔效应的特点（来源：Science）

哈佛大学博士后研究员高安远为该论文的第一作者，哈佛大学助理教授徐苏扬（Su-Yang Xu）担任论文的通讯作者。

事实上，MnBi2Te4 本身就具备破坏时间和空间反演对称性的特点。所以，要想观测到量子度规非线性霍尔效应，只需对旋转对称性进行破坏即可。高安远解释道：“我们的做法是，把这个材料和黑磷组装成异质结构。打破材料的三重旋转对称性之后，就可以观测到非线性霍尔效应。”

图丨高安远（来源：高安远）

为了进一步证明该课题组所观测到的现象属于量子度规非线性霍尔效应，他们还做了许多细节性的实验，包括非线性霍尔信号与反铁磁体状态的关系；与散射时间的关系；与电场和载流子浓度的关系等。

为了排除贝利曲率的贡献，他们还制作了拥有时空对称性的晶轴对齐的黑磷/锰铋碲/黑磷异质结，并观测到非线性霍尔效应，成功排除了贝利曲率的影响（时空对称系统中，贝利曲率为零）。

图丨反铁磁非线性霍尔效应的观察（来源：Science）

那么，从应用层面上看，量子度规非线性霍尔效应能给具体应用带来哪些贡献呢？在这方面，研究人员做了一个微波能量收集实验。他们将 Wi-Fi 信号照到样品上，发现样品会产生一个能够对外供电的直流信号。

值得一提的是，该样品能够实现将 38% 的 Wi-Fi 能量转化为直流电流信号。“基于此，该器件有望实现无线电驱动微米机器人。可将其植入到人体内进行微型手术，工作时只需要在体外给其提供一个无线电信号，小机器人就能在体内持续地进行工作，可以帮助杀灭肿瘤等疾病。”谈及具体的应用场景，高安远表示。

据介绍，证明量子几何的实部对电子的作用非常重要，这也是该研究最核心的意义。

他说：“我们通过实验成功地证明了量子度规的确可以影响电子的运动，并产生宏观量子现象——量子度规非线性霍尔效应。这就相当于在二十年前，学术界只知道能带结构可以影响电子运动。当发现贝里曲率也可以给电子运动带来影响以后，科学家刷新了认知，并从中发现了很多有趣的物理现象。”

因此，该团队希望能够通过这项研究，引起科研界对量子度规的重视，促使更多科研人员研究量子度规产生的新奇物理现象，也希望提供一个新的视角，来解释贝里曲率无法解释的物理现象。

接下来，课题组成员计划在该研究的基础之上，继续开展两方面的研究。首先，尝试在其他材料体系中观测到更多由量子度规引起的量子现象。其次，在同一个材料体系中原位地控制量子度规的强度，以便更加精细地了解量子度规对电子运动的影响。

参考资料：

1. Gao, A., Liu, Y., Qiu,J. et al. Quantum metric nonlinear Hall effect in a topological antiferromagnetic heterostructure. Science 381, 181–186 (2023). DOI: 10.1126/science.adf1506

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