香港大学（HKU）和香港科技大学（HKUST）领导的一组国际研究人员通过识别扭曲双层石墨烯中的可控非线性霍尔效应，在量子材料领域取得了重大进展
香港大学物理系博士生张旭（左）及其导师孟子扬博士。图片来源：香港大学
该研究为二维量子莫尔材料的独特特性提供了新的线索。它有望在新材料、量子信息等行业得到广泛应用，实现室温下超高灵敏度的太赫兹探测。它作为编辑建议文章发表在著名的物理学杂志《Physical Review Letters》上。
该团队包括来自密歇根大学的孙凯教授、博士生。香港大学物理系学生张旭及其导师孟紫阳博士、科大物理系王宁教授及其博士后研究员黄美珍和吴泽飞，以及科大物理系王宁教授，结合理论、计算和实验进行了广泛的研究。
他们发现，通过改变扭曲双层石墨烯中拓扑平带的色散，可以轻松控制和修改贝里曲率偶极矩，这是霍尔效应的基础。
研究人员发现，使用垂直施加的电场可以轻松控制扭曲石墨烯中平带的色散，并且他们注意到，当提供横向驱动电流时，纵向上会出现明显的非线性电压响应。
当调整施加的场、应变和扭转角度时，反应表现出增加、减少和方向变化。这些实验结果支持了他们的理论计算对拓扑平带中贝里曲率热点的滑动如何影响非线性输运行为的完美解释。
研究人员还研究了莫尔势和扭转角对扭转双层石墨烯可控非线性霍尔效应的影响。他们发现，观察到的非线性响应的大小受到莫尔势强度的显着影响。研究人员能够调整莫尔势，从而通过改变石墨烯层之间的扭转角来控制非线性传输行为。
由于在扭曲双层石墨烯中观察到的受控非线性霍尔效应，在新实验平台中实现量子霍尔材料和非线性霍尔效应具有巨大的前景。石墨烯中的非线性霍尔效应由低频电流驱动，不像传统电子设备那样受到电压阈值或过渡时间的限制。
在环境温度下具有较大的响应能力和极高的灵敏度，这为使用低频电流的倍频和整流应用提供了机会，特别是在太赫兹频率范围内。
量子材料研究的突破——扭曲双层石墨烯中的受控非线性霍尔效应——就是这一发现的结果。它为量子信息、新型材料和凝聚态物理的研究和应用开辟了新的途径。这种跨机构的研究合作也凸显了多学科合作在拓展知识前沿方面的价值。
香港研究资助局的卓越领域计划（AoE 2D 材料）和合作研究基金（量子莫尔材料研究中的 CRF 多体范式）为这项研究提供了资金，展示了香港政府的前瞻性方法和承诺二维量子材料的研究，特别是扭曲石墨烯等量子莫尔材料。
本研究采用香港大学物理系的“黑体”超级计算机以及资讯科技处的高性能计算平台HPC2021进行大规模数值模拟。
期刊参考：
Huang, M., et al. (2023) Intrinsic Nonlinear Hall Effect and Gate-Switchable Berry Curvature Sliding in Twisted Bilayer Graphene. Physical Review Letters. doi:10.1103/PhysRevLett.131.066301
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