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ROPP编辑优选：二阶非线性霍尔效应可切换控制的普适性设计原理

14 Sep 2026 gabriels

本篇研究来自香港城市大学岳星宇、华南师范大学金元俊课题组。本研究通过外场调控非线性霍尔效应是实现新型低功耗电子器件的重要途径，如何实现高效、可逆的栅极电压控制一直是该领域面临的关键挑战。本研究结合第一性原理与对称性分析，提出了一种基于双层材料体系实现非线性霍尔效应栅控调节的普适性设计策略。研究发现，双层结构中固有的隐藏极化能够在外加栅极电场作用下被激活，进一步诱导层锁定的隐藏贝里曲率偶极子，从而产生显著增强的非线性霍尔响应。通过反转栅极电场方向，可以实现霍尔电流方向的完全可逆翻转，表现出类似于自旋塞曼效应的“赝自旋塞曼效应”特征，实现了二阶霍尔效应的电控开关功能。该研究从原理上实现了非线性霍尔效应的器件化调控，也为探索栅控非线性输运和非线性光学效应提供了新思路。

文章介绍

A universal design principle for switchable control of the second-order nonlinear Hall effect

Xiaoliang Xiao(肖晓亮), Xingyu Yue(岳星宇), Jinyang Ni(倪斤阳), Jin-Zhu Zhao(赵锦柱), Ruiqiang Wang(王瑞强), Xin Wang(王鑫), Guoqing Chang(常国庆), Yuanjun Jin(金元俊)

通讯作者：

岳星宇，香港城市大学
金元俊，华南师范大学

研究背景：

由贝里曲率偶极矩驱动的非线性霍尔效应是一种的新型量子几何输运现象，近年来在凝聚态物理领域受到广泛关注。不同于传统霍尔效应需要破坏时间反演对称性，非线性霍尔效应可以在保持时间反演对称性的非中心对称体系中产生，为探索电子波函数的几何性质、揭示隐藏对称性以及调控量子输运提供了重要手段。同时，该效应在太赫兹波整流、低功耗信息存储等新兴技术领域展现出广阔应用潜力。然而，目前已报道的非线性霍尔效应通常依赖于材料本征晶体结构和对称性条件，其响应大小和方向难以通过外部手段进行动态调控，极大限制了其在可重构逻辑器件和电流驱动存储器件中的实际应用。因此，如何实现非线性霍尔效应的电场调控、可逆切换以及器件化应用，已成为该领域亟待解决的关键科学问题。

研究内容：

本研究结合晶体对称性分析、有效哈密顿模型构建以及第一性原理计算，提出了一种基于隐藏极化实现非线性霍尔效应电场调控的普适性设计策略。通过系统分析80个层群的对称性条件，研究发现其中18个层群满足构建可电控切换非线性霍尔效应体系的要求，为设计新型量子输运器件提供了明确的材料筛选准则。以AB堆垛双层SnSe（以及SnTe等代表性体系）为例，研究表明，该类双层结构在无外加电场时保持整体中心对称性，贝里曲率偶极矩因对称性约束而消失，非线性霍尔响应被禁止。当施加垂直栅极电场后，层间隐藏极化被有效激活，破坏原有对称性并诱导产生显著的贝里曲率偶极矩，从而产生增强的非线性霍尔电流。更重要的是，通过反转栅极电场方向，可以实现霍尔电流方向的完全可逆翻转，呈现出类似自旋塞曼效应的“赝自旋塞曼效应”行为，实现非线性霍尔信号的电控开关。该调控机制无需依赖磁性材料，仅通过外加电场即可实现非线性霍尔效应的ON/OFF双态切换，为突破传统非线性霍尔体系中响应不可调控的限制提供了新的解决方案，并显著拓展了层状量子材料在非线性输运和信息器件领域的应用空间。

该研究首次揭示了中心对称双层体系中隐藏极化与贝里曲率偶极矩之间的内在联系，并建立了利用层间隐藏自由度调控非线性霍尔效应的新机制，为发展超快低功耗电子器件、非线性逻辑器件以及可重构量子信息技术提供了新的理论基础。

作者介绍

岳星宇博士

香港城市大学

岳星宇，2023年获香港大学物理学博士学位。目前，他任职于香港城市大学物理系。研究方向主要包括量子输运现象的理论研究，以及二维材料的生长与表征。

金元俊副研究员

华南师范大学

金元俊，2022年获香港大学物理学博士学位，随后在新加坡南洋理工大学做博士后研究，2024年入职华南师范大学物理学院。研究兴趣包括量子输运，自旋电子学等。已在PRL, ROPP, Nano Lett. PRB等期刊发表论文50余篇，获2024年广东省自然科学二等奖（4/7）。

期刊介绍

Reports on Progress in Physics

2025年影响因子：15.4 Citescore：23.0
Reports on Progress in Physics（ROPP）作为涵盖物理学各分支的权威性综述期刊，长期以来享有盛誉。所有综述均由编委会邀请全球顶尖专家撰写，覆盖物理的经典和热点议题。同时，ROPP现在开始接受原创研究文章投稿。