石墨烯量子霍尔态中三阶非线性霍尔效应的首次实验观测与机制解析-电子发烧友网

量子霍尔效应（QHE）是二维电子系统在强磁场下的标志性现象，其横向电阻（Rxy）呈现量子化平台（h/(νe²)），而纵向电阻（Rxx）趋于零。传统研究集中于线性响应，高阶非线性响应在量子霍尔态（QHS）中的存在性长期未被探索。

经典与量子体系中线性霍尔效应及非线性霍尔效应的示意图

本研究基于霍尔效应测试仪HMS-3000的高精度测量能力，结合谐波检测技术，在单层石墨烯的QHS中首次观测到三阶非线性霍尔效应，揭示了横向电压的三次谐波平台（Vy3ω），并提出其源于手性边缘态间的电子-电子相互作用。这一发现为拓扑物态的非线性物理研究提供了新范式。

器件制备与量子霍尔态调控

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在υ=±2的量子霍尔态内观测第三阶非线性霍尔平台

材料与结构：

采用机械剥离法获得单层石墨烯，转移至SiO₂/Si（300 nm氧化层）或六方氮化硼（hBN）基底上。
通过电子束光刻（EBL）定义霍尔棒结构，沟道宽度（W）为1–4 μm，源漏间距（L）为6–18 μm。
电极沉积：电子束蒸发Ti/Au（5 nm/65 nm），确保低接触电阻（<100 Ω）。

量子霍尔态实现：

在超导磁体中施加垂直磁场（H=5–12 T），结合氦气闭循环制冷系统控制温度（T=1.7–80 K）。
通过硅背栅（Vg=−20 V至+20 V）调节载流子密度，使费米能级对准朗道能级填充因子 ν=±2。

非线性谐波测量系统：

激励与检测：

施加正弦交变电流 Iω=Isinωt（频率 f = 31 Hz，幅值 I = 0.5–2.0 μA），避免QHS击穿。使用霍尔效应测试仪结合四锁相放大器，同步测量纵向（Vx）和横向（Vy）的一阶（1ω）与三阶（3ω）谐波电压，相位锁定为0°，采集 x分量（实部）。

环境控制：

实验在基温 T = 1.7 K下进行，磁场稳定性 ΔH/H < 0.01%，确保量子化平台的精确观测。

三阶非线性霍尔效应的观测

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量子霍尔态中三阶霍尔效应的电流三次方依赖性

横向电压的非零响应：

在填充因子 ν = ±2 的QHS中，横向三阶电压（Vy3ω）呈现显著平台，平台高度与驱动电流的三次方严格成正比（Vy3ω∝ I³），而纵向三阶电压（Vy3ω）始终为零。
示例数据：当 I=2 μA时，Vy3ω平台值为 3.1±0.3 μV，验证非线性响应的本征特性。

磁场和温度对量子霍尔态三阶非线性响应的影响

磁场与温度稳定性：

非线性平台在磁场范围（H>5 T）和温度范围（T<80 K）内保持稳定。磁场方向反转（H=±9 T）导致Vy3ω符号变化，但三次方依赖关系不变。

器件普适性：

不同基底（SiO₂、hBN）、几何形状（条形、圆形）和堆叠结构的石墨烯器件均观测到类似现象，验证效应的普适性。

电子-电子相互作用的机制

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边缘态手性输运：QHS的导电边缘态为一维手性通道，库仑相互作用通过能量色散曲率（E(k)=v₁ℏk+v₂(ℏk)²）诱导非线性电流-电压关系。理论模型验证：基于相互作用强度（λ）和边缘粗糙度（δ）的理论公示：与实验数据高度吻合。理论模型表明，电子-电子相互作用通过边缘态的能量色散曲率驱动非线性响应。本研究首次在石墨烯的量子霍尔态中观察到了三阶非线性霍尔效应，其平台结构在广泛的温度、磁场和电流范围内保持稳定。这种非线性响应揭示了量子霍尔态中电子-电子相互作用的新方面，为研究一维手性边缘态的电子特性提供了新的方法。