艾姆斯国家实验室领导的美国能源部科学办公室能源前沿研究中心拓扑半金属发展中心(CATS)的国际研究团队通过实验证明了一种新型非线性霍尔效应。这种霍尔效应是由量子度量驱动的，量子度量定义了晶体内电子波函数之间的距离。

实验工作由哈佛大学的科学家领导，而理论模型则由艾姆斯实验室开发。该项目提供了非线性霍尔效应的第一个实验证明，迄今为止该效应仅被理论化。

作为CATS项目的一部分，在艾姆斯领导理论工作的PeterOrth解释说，理论建模对于理解实验过程中发生的情况是必要的。Orth和博士后学者ThaisV.Trevisan利用他们的专业知识解开了实验揭示的复杂相互作用。

本研究使用的材料由锰铋碲(MnBi2Te4或MBT)组成。为了观察到这种现象，奥尔特解释说，样本必须具有特殊的对称性。Orth说：“但是如果你只考虑纯MBT，这种现象实际上对称性为零。”因此，实验人员在MBT的顶部和底部添加了具有不同对称性的黑磷(BP)层。BP与MBT相互作用，打破对称性并产生非零非线性霍尔响应。

奥思表示，该实验的目的是了解量子度量非线性霍尔效应的起源。他们想了解它是由晶格应变驱动还是由MBT和BP层之间的电子混合驱动。

“我们的贡献是从理论上对这个系统进行建模。这是相当具有挑战性的，因为我们有两种材料，MBT和BP，它们具有不同的晶格常数和不同的对称性”，Orth说。“这就像一个工程挑战。”

“当你连接两个系统时，基本上会有一个晶格对另一个系统施加压力并降低对称性。这就像你移动原子的效果，”奥思解释道。“或者你可以进行电子耦合，这样电子就会从一个晶格层跳到系统的另一部分，然后再跳回来，这更像是电子态的混合。”

将晶格应变和电子混合纳入模型使其变得更加复杂，“但这种电子混合对于捕捉这些实验观察到的效应非常重要，”奥思说。计算表明，这种现象来自两种不同晶格之间的应变以及与两种机制相关的不同实验特征的电子混合。

该团队成功证明了实验结果源自量子度量非线性霍尔效应。CATS主任兼ISU教授RobMcQueeney表示：“这些结果是我们在CATS中努力实现的核心目标。具有令人兴奋和可预测响应的新材料(例如量子度量霍尔效应)正在等待发现，并最终可能成为未来的平台电子元件或传感器。”

这项研究在《拓扑反铁磁异质结构中的量子度量非线性霍尔效应》中得到了进一步讨论，作者为高安远等人，并发表在《科学》杂志上。

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