时间反演对称材料中巨非线性能斯特效应的突破性发现

《Science China-Physics Mechanics & Astronomy》：Giant nonlinear Nernst effect observed in time-reversal-invariant but inversion symmetry breaking materials

为解决传统能斯特效应依赖磁场或磁序的局限，研究人员在时间反演对称但反演对称破缺的ABA三层石墨烯中开展了非线性能斯特效应(NNE)研究。团队通过交变温度梯度和谐波电压测量，在零磁场下观测到巨NNE（有效系数达300 μV K-1），并揭示斜散射为主导机制。该发现为无磁热电器件开发提供了新平台。

　　

在凝聚态物理领域，能斯特效应作为一种重要的热电现象，长期以来受到时间反演对称性的严格限制。传统能斯特效应需要借助外部磁场或材料本身的磁性序才能产生横向电压，这极大地限制了其在微型化、集成化热电器件中的应用。尽管研究人员在磁性材料中实现了最高约5 μV K^-1的零场能斯特系数，但这一数值仍难以满足实际应用需求。近年来，各种新型能斯特效应相继被提出，包括自旋能斯特效应、能谷能斯特效应和非线性能斯特效应等，为突破传统限制带来了新的希望。

非线性能斯特效应作为一种新兴现象，其机制可能源于轨道磁四极矩、贝里曲率偶极子或 disorder 介导的斜散射等。先前在非中心对称材料如双层WTe₂和应变过渡金属硫族化物中的实验虽暗示了NNE的存在，但直接证据始终缺乏。与此同时，时间反演对称系统中的非线性霍尔效应研究为理解量子几何和散射机制的作用提供了重要框架。

在这一背景下，复旦大学刘等人于2025年在《Nature Nanotechnology》上发表的研究取得了突破性进展。该团队在零磁场条件下成功观测到了非磁性ABA三层石墨烯中的非线性能斯特效应，这一突破得益于材料的反演对称破缺和超高载流子迁移率（约6×10⁵cm²V^-1s^-1）。

研究人员采用交变温度梯度和谐波电压测量技术，在低于12 K的温度下检测到三层石墨烯中的四次谐波横向电压，该电压与温度梯度呈二次方关系。在2 K时，有效能斯特系数达到了惊人的300 μV K^-1，比磁性材料中的零场值高出两个数量级，从而证实了巨非线性能斯特效应的存在。

关键实验方法与技术

研究团队采用交变温度梯度和谐波电压测量方法，在ABA堆叠的三层石墨烯样品中检测非线性热电响应。通过精确控制温度梯度和测量高阶谐波信号，团队成功分离出非线性能斯特效应的贡献。样品制备方面，研究使用了高质量的三层石墨烯，其载流子迁移率高达6×10⁵cm²V^-1s^-1，这一特性对观测巨非线性效应至关重要。对称性分析和理论建模为机制研究提供了支持。

研究结果

巨非线性能斯特效应的观测

研究团队在低于12 K的温度下，观测到与温度梯度二次方成正比的四次谐波横向电压信号。在2 K时，有效能斯特系数达到300 μV K^-1，这一数值比传统磁性材料中的零场能斯特系数高出两个数量级，证实了巨非线性能斯特效应的存在。

斜散射机制的确立

研究发现非线性能斯特系数与(σ_xxS_xx)²呈线性关系，其中σ_xx为纵向电导率，S_xx为塞贝克系数。这一标度关系结合对称性分析（三层石墨烯的C₃对称性排除了贝里曲率偶极子的贡献），证实了斜散射是主导机制。

对称性破缺的关键作用

作为对照实验，研究团队还测量了保持反演对称性的单层和双层石墨烯，结果显示其非线性能斯特效应可忽略不计。这一结果验证了反演对称破缺是实现非线性能斯特效应的必要条件。

研究结论与意义

该研究首次在时间反演对称但反演对称破缺的材料中实现了巨非线性能斯特效应，打破了传统能斯特效应对磁场或磁序的依赖。这一发现不仅验证了理论预测，还为热电器件开发提供了新的材料平台。研究揭示的斜散射机制为后续材料优化提供了明确方向。

然而，该研究仍面临一些挑战。目前非线性能斯特效应仅在低温下观测到，将其拓展至室温应用需要寻找具有更大能带分裂和贝里曲率的材料，如拓扑半金属或极性手性晶体。此外，二维材料的大规模生长和高效转移技术，以及器件结构的优化都是未来需要解决的问题。

理论上，虽然当前模型强调斜散射的作用，但在更复杂系统中其他机制可能也会产生影响。发展统一理论框架，整合量子几何、电子关联和无序效应，对预测不同材料中的非线性能斯特效应至关重要。

未来研究方向包括在三维体材料（如外尔半金属）和极性二维异质结中探索非线性能斯特效应，以期实现室温热电能量收集和冷却应用。这类技术可能与传统热电器件竞争，并具有横向器件结构、无需磁场等优势。非线性能斯特效应与拓扑量子态的关联也有望推动拓扑热电器件的发展，用于低功耗、高效率系统。

总之，三层石墨烯中巨非线性能斯特效应的发现架起了理论预测与实验实现之间的桥梁，为热电技术和拓扑物理开辟了新途径。未来研究需要解决温度限制、材料可扩展性和理论完整性等问题，以充分发挥非线性热电效应在能源和量子应用中的潜力。