非互易霍尔效应：Pt器件的频率混合新突破!

【研究背景】

非相互作用电荷传输是一种重要的物理现象，因其在探索量子对称性及在量子计算、通信等领域的潜在应用而受到广泛关注。与传统的电流-电压（I–V）关系线性行为不同，非相互作用传输在纵向方向上的表现为电阻与电流方向相关，导致电阻中存在微小的非相互作用成分。然而，纵向非相互作用传输的电阻通常仅占欧姆电阻的一小部分，使得在直流传输测量中观察这种现象相对困难。因此，许多非相互作用现象的研究主要集中在交流传输测量上。

近年来，针对非中心对称极性材料的研究，美国 宾夕法尼亚州立大学Lujin Min，Zhiqiang Mao等团队科学家们提出了一种新型的横向非相互作用电流现象——非相互作用霍尔效应（NRHE）。该效应的出现是由于在施加电流的情况下，极性材料中的几何不对称散射引起的，这与现有的低温现象不同。本研究小组通过聚焦离子束沉积的铂（Pt）在硅基底上制备了微米尺度的霍尔器件，成功观察到了这种横向非相互作用霍尔效应。

在实验中，团队设计和制备的聚焦离子束沉积铂微米霍尔器件展示了显著的二次电流-电压特性以及发散的非相互作用性。具体来说，该现象源于聚焦离子束沉积结构内纹理铂纳米颗粒的几何不对称散射。此外，研究表明，这种在聚焦离子束沉积铂电极中产生的非相互作用霍尔效应能够通过霍尔电流注入传播至相邻的导体（如金（Au）和铌磷（NbP）），进一步推动了宽带频率混合及无线微波检测的应用。

【表征解读】

本文通过多种先进的表征手段揭示了FIBD-Pt器件的非线性霍尔效应（NRHE）及其在宽频段电子频率混合中的应用。首先，通过X射线衍射（XRD）和能量色散X射线光谱（EDX），确认了所合成的NbP单晶具有预期的晶体结构和成分。这些表征手段为后续的NRHE特性研究奠定了基础。在NbP晶体的表面，通过扫描电子显微镜（SEM）和焦点离子束（FIB）技术，成功制造了纳米尺度的电极与微结构，进一步揭示了FIBD-Pt器件的电学性能及其非线性效应。

针对NRHE现象，本文采用了低温电子输运测量技术，通过量子设计物理性能测试系统（PPMS）对FIBD-Pt器件进行了电学运输特性测量。通过霍尔电压的响应，确定了FIBD-Pt在室温下展现出强烈的非线性霍尔效应。进一步的研究表明，该现象的产生源于与外加电场相关的非线性相互作用，这为电子频率混合的实现提供了理论支持。通过锁相放大器（SR860）与高精度电流源（Keithley 6221/6220），本文还对该现象的频率混合特性进行了定量研究，证明了FIBD-Pt在125Hz与37Hz频率信号的作用下，能有效生成多达21个不同的频率峰值，涵盖了从基频到多次谐波生成的频率范围。

此外，结合微波频率测量，本文还进一步验证了FIBD-Pt器件的无线检测功能。使用Keysight MXG矢量信号发生器与Agilent CXA信号分析仪，本文对FIBD-Pt器件的无线检测能力进行了实验，发现该器件能够灵敏地响应微波频率信号，这为其在无线通讯与传感器技术中的应用提供了可能。通过这些微观表征手段，本文不仅揭示了FIBD-Pt器件在非线性霍尔效应下的宽频段频率混合特性，还发现了其在高频无线检测中的潜力。

总之，经过一系列表征手段的深入分析，本文揭示了FIBD-Pt器件在非线性霍尔效应和频率混合中的重要物理机制，为新型电子功能材料的制备提供了宝贵的理论依据与实践指导。通过这些研究，推动了高性能传感器和无线通信设备的发展，尤其是在低功耗、宽频段的电子器件领域中的应用潜力，具有广泛的科学意义与技术前景。

【图文速递】

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。

【科学启迪】

FIBD-Pt材料展示了优异的室温非线性霍尔响应特性，这不仅符合实际应用的要求，还拓展了其在频率混合等新型功能方面的应用。通过将两种不同频率的交流电压施加到NRHE器件上，研究人员观察到了宽频段的电子频率混合效应，包括二次谐波生成、和频生成、差频生成及多波混合组件。这一现象的出现验证了NRHE在无线电频率探测和信号处理中的潜力。此外，研究还表明，通过对材料的优化和合理设计，NRHE能够扩展至吉赫兹范围，显示了其在高频应用中的巨大前景。该研究不仅为电子器件的设计提供了新的思路，也为无线传感器、信号处理及其他高频技术的实现开辟了新的方向。这些发现对未来的科技创新具有重要的推动作用。

原文详情：Min, L., Zhang, Y., Xie, Z. et al. Colossal room-temperature non-reciprocal Hall effect. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02015-7