客户成果丨中山大学于鹏团队《Nature Communications》：非中心对称铁磁体中的量子度规三阶非线性霍尔效应

在凝聚态物理领域，霍尔效应一直是研究的核心课题之一。自1879年霍尔效应被发现以来，科学家们不断探索其背后的物理机制，并在此基础上发展出了量子霍尔效应、量子反常霍尔效应等一系列重要成果。这些效应的发现不仅丰富了我们对电子行为的理解，也为新型电子器件的研发提供了理论基础。近年来，随着量子几何概念的引入，研究人员开始关注量子几何在非线性霍尔效应中的作用。量子几何包括贝里曲率和量子度规两个重要组成部分，其中贝里曲率在韦尔半金属的非线性霍尔效应中已被证实具有重要作用。然而，量子度规作为量子几何的实部，其在非线性霍尔输运中的影响尚未被充分研究，尤其是在室温下的高阶非线性霍尔效应。此前的研究主要集中在低温下的二阶效应，而对于室温下的三阶非线性霍尔效应的探索还相对较少。这一领域亟待新的突破，以期为未来的量子自旋电子学器件发展提供新的思路和理论支持。

基于此，中山大学材料科学与工程学院于鹏教授团队首次在非中心对称铁磁体 Fe5GeTe2 中观察到了由量子度规诱导的显著三阶非线性霍尔效应。这一效应在室温下表现得尤为突出，且与电子自旋态密切相关。通过精确控制材料的对称性，成功诱导了异常的电子运动，并在实验中观察到了高达 72 μm·S·V-2 的超高三阶电导率，这一数值比以往基于贝里曲率的三阶非线性霍尔效应的研究结果高出约十倍，显著提升了器件的三阶电流转换效率。此外，该团队还基于二阶量子度规偶极子的标度关系推导出了三阶方程，为深入理解量子度规在非线性霍尔效应中的作用提供了理论依据。该研究不仅揭示了量子度规在铁磁体电子动力学中的重要作用，还为开发室温下低功耗的量子自旋电子学器件奠定了基础，有望推动相关技术在未来的实际应用中取得重大进展。相关研究成果以“Quantum metric third-order nonlinear Hall effect in a non-centrosymmetric ferromagnet”的题目发表在《Nature Communications》上。

图1. Fe5GeTe2的晶体结构与生长

图2. Fe5GeTe2中非线性输运的观测

该研究在非中心对称铁磁体 Fe5GeTe2 中成功观察到了显著的三阶非线性霍尔效应，这一效应主要由量子度规诱导产生，并在室温下展现出极高的三阶电导率。这一发现不仅突破了以往研究的局限，将量子度规在非线性霍尔效应中的作用从低温拓展到室温，还为量子自旋电子学器件的发展提供了新的方向。通过精确控制材料的对称性，该团队能够有效地调控电子的运动状态，从而实现高效的三阶非线性输运。此外，该研究还揭示了量子度规与非内在德鲁德散射之间的复杂相互作用，这种相互作用在不同的温度区间表现出不同的主导机制，为深入理解量子几何在电子动力学中的作用提供了新的视角。未来，基于 Fe5GeTe2 的量子自旋电子学器件有望在低功耗、高性能的电子设备中发挥重要作用，为信息技术的发展带来新的变革。

该工作通过使用TuoTuo Technology的光电成像系统完成了材料的SHG性能测试，为材料结构对称性破缺的验证提供了直接的证据。该研究得到了国家基金委、广东省科技厅等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-63133-7