突破认知：反演对称外尔金属中对称性禁阻整流的惊人发现

传统金属在低场区域无法整流，反演对称材料通常也不具备该特性。研究人员对反演对称的 Weyl 金属 Bi1-xSbx开展研究，观察到对称性禁阻整流现象。这一成果为拓扑材料非线性电磁响应研究提供新视角，助力相关光电器件开发。

　　在奇妙的微观世界里，金属的电学性质一直是科研人员热衷探索的领域。长久以来，传统认知告诉我们，常规金属遵循欧姆定律（Ohm’s law），在低场区域无法实现整流，因为费米能级的存在限制了其非线性响应。而对于具有反演对称性的材料来说，按照传统机制，它们通常也不会展现出整流特性，毕竟整流往往需要打破反演对称性。可随着研究的深入，这些看似板上钉钉的 “规则” 开始受到挑战。在拓扑材料领域，外尔金属（Weyl metal）因其独特的电子结构和电学性质成为研究热点。于是，科研人员迫切地想知道，在这些特殊的金属中，是否隐藏着打破传统认知的秘密呢？

为了解开这些谜团，来自韩国大邱大学（Daegu University）、浦项科技大学（Pohang University of Science and Technology）以及日本山形大学（Yamagata University）的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦于反演对称的外尔金属 Bi_1-xSb_x（x = 3 - 4%）。经过一系列复杂而严谨的实验和理论分析，他们成功观察到了对称性禁阻整流现象，这一发现就像在平静的学术湖面投下了一颗重磅炸弹。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为人们理解拓扑材料的非线性电磁响应打开了全新的大门，也为未来光电器件的发展提供了极具潜力的方向。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，采用布里奇曼法（Bridgeman method）合成了 Bi_1-xSb_x单晶体，并利用能量色散 X 射线光谱（EDX）对晶体进行表征；其次，在电输运测量方面，运用直流测量和交流测量技术，通过电流源、纳米电压表和锁相放大器等设备，在不同磁场和温度下测量样品的纵向和横向电信号。

研究结果

1. 非线性输运现象的特征：研究人员通过测量纵向磁电阻率（longitudinal magnetoresistivity），发现当电场（E）和磁场（B）平行时，Bi_1-xSb_x的 I - V 曲线呈现非线性，且非线性电导率（nonlinear conductivity）Δσ_L与 E²成正比，即 Δσ_L=b₂(B)E² ，这与玻尔兹曼输运理论（Boltzmann transport theory）相符，证明了额外的拓扑电流是导致非线性 I - V 曲线的原因。
2. 动态相中的整流和高次谐波信号：在交流输运实验中，研究人员施加正弦电流，测量纵向和横向的电压信号。结果发现，随着驱动电流密度 J_ω的增加，不仅出现了三次谐波信号 E_xx^3ω，还检测到了直流信号 E_xx^DC，这表明该系统能将交流电转换为直流电，实现了对称性禁阻的整流。而且，E_xx^DC和 E_xx^3ω在大 J_ω时均与 J³成正比，在小 J_ω时，E_xx^DC在临界电流密度 J_c以下为零，而 E_xx^3ω无此临界值。
3. 相图和标度分析：根据不同磁场和温度下的 J_c值，研究人员构建了 J_ω - B 和 J_ω - T 相图。相图显示，J_c线将区域分为两部分，区域 1 中响应非线性但无整流，区域 2 中既有整流又有三次谐波产生。通过标度分析，发现存在标度函数，表明该动态相变是由关联时间的发散或临界减速所控制的临界现象。
4. 理论模型和分析：为描述外尔金属态内部电场的时间演化，研究人员将包含手性反常诱导高阶项的电流公式纳入麦克斯韦方程（Maxwell equation），得到范德波尔非线性微分方程（van der Pol nonlinear differential equation）。理论分析表明，该方程中的质量项和非线性电流阻尼项对整流的出现起着关键作用，且理论相图与实验相图具有一定的匹配度，但在临界电流密度附近的 J_ω依赖性上存在细微差异。

研究结论和讨论

在反演对称的外尔金属 Bi_1-xSb_x（x = 3 - 4%）中，研究人员成功观察到了从具有 “平凡” 非线性响应的稳态到具有整流的动态相的转变。这种对称性禁阻的整流现象，以往被认为不可能存在于具有反演对称性的金属中，如今却在实验中真实出现。其根源在于手性反常（chiral anomaly）使描述内部电场时间演化的微分方程非线性化，进而引发了对称性破缺分岔（symmetry-breaking bifurcation），这是一种在非线性复杂系统中常见的动态相变。

这一研究成果意义重大，为进一步理解拓扑材料中的非线性电磁响应奠定了坚实基础，同时也对整流和高次谐波产生的可能机制提出了根本性的问题。从应用角度来看，它为依赖于非平凡能带拓扑机制的光电器件开发开辟了新的道路。不过，目前的研究也存在一些尚未解决的问题，例如理论模型与实验结果在某些方面的差异，这可能是由于模型中忽略了某些类型的涨落。未来，研究人员可以通过多终端测量等方式，更深入地探究局部电场配置，为该领域的发展带来更多突破。