我国学者观测到巨大的非线性谷霍尔效应并提出全新的量子器件概念

合肥国家实验室/复旦大学沈建及其同事何攀等组的研究团队在量子物理前沿领域取得重要突破。团队成功观测到巨大的非线性谷霍尔效应，并提出了全新的量子器件概念。该成果以“Observation of giant nonlinear valley Hall effect”为题，于2026年3月31日在国际权威学术期刊《自然·物理学》(Nature Physics)上在线发表。

© Nature Physics

在传统电子学中，载流子的高密度传输往往伴随着能量损耗和发热问题，这成为制约芯片性能提升的核心瓶颈。为突破这一限制，科学家们将目光投向了凝聚态物理中新兴的“谷电子学”（Valleytronics）。

如果将传统电子学比作车流，“谷”（Valley）就是动量空间中电子的能量极值点，被视为电子的一种新“自由度”。通过操控这一自由度来传输信息，有望构建出能耗更低、功能更强的新一代信息技术体系。而“谷霍尔效应”正是实现这一目标的关键机制，它能让不同能谷的载流子在横向发生相反偏转，在净电荷为零的情况下产生纯谷流，如同开辟了一条量子世界的信息专用道。

本次研究的核心突破在于，团队首次在实验上观测到了理论预言的非线性谷霍尔效应。与传统线性响应（即响应与输入成正比）不同，这种非线性效应表现出显著的二次方及更高阶幂次关系。

研究团队在石墨烯/六角氮化硼莫尔超晶格中，利用非局域电学谐波测量技术，探测到了显著的非局域二次谐波电压信号。实验数据显示，该信号与驱动电流呈二次方关系，并在狄拉克点附近发生符号反转。更令人振奋的是，其响应强度在狄拉克点附近显著超过了传统的线性谷霍尔效应，实现了性能的跨越式提升。

石墨烯/hBN莫尔超晶格中的非线性谷霍尔效应。a, 线性谷霍尔效应及非局域测量的示意图。施加交流电场E^w_y 时，谷霍尔效应产生与E^w_y呈线性响应的横向谷流J^w_x，该谷流通过逆谷霍尔效应转换为电流J^w_y，表现为可探测的非局域电压V^w_NL 。b，非线性谷霍尔效应及非局域测量的示意图。非线性谷霍尔效应产生与E^w_y呈二次方响应的横向谷流J^2w_x ，该二倍频谷流通过逆谷霍尔效应转换为电流J^2w_y ，表现为可探测的非局域二倍频电压V^2w_NL 。 K 与 K' 为石墨烯莫尔超晶格能带中两个不等价的能谷。线性谷霍尔响应 (a) 和非线性谷霍尔响应 (b) 分别由粉红色和绿色箭头表示。c，石墨烯/hBN莫尔超晶格器件结构和电学谐波测量示意图。通过电极1和2施加交流电流，并通过电极3和4同时测量一倍频和二倍频电压信号。插图为样品结构侧视图和器件的光学显微镜照片。d，非局域二倍频电压随栅极电压的变化。该信号主要存在于石墨烯能带的狄拉克点附近，并在狄拉克点处发生符号反转。e，不同栅压下非局域二倍频电压随电流的变化关系。f，在石墨烯主狄拉克点附近，非局域二倍频电压显著大于非局域一倍频电压的实验数据。

基于实验发现，团队进一步揭示了该效应起源于一种新颖的零阶外禀机制，并成功观测到非线性逆谷霍尔效应。这些发现为新型功能器件的设计开辟了全新路径。

在此基础上，研究人员创造性地提出了一种全新的器件概念——谷整流器（Valley Rectifier）。该器件可高效地将交流电或电磁辐射转化为直流谷流，实现对微观量子态的精准调控。这一成果不仅从实验上填补了非线性谷输运领域的空白，也为未来开发出更高效、更可控的量子功能器件奠定了坚实基础。

该研究得到了国家重大科技专项、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、上海市重大科技项目及上海市面上项目等的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-026-03221-7

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