霍尔效应，是凝聚态物理中最古老但最重要的领域之一，不断激发新的发现，例如量子霍尔效应和物质的拓扑相。最近发现的非线性霍尔效应，是霍尔效应家族的新成员。其特点是，响应霍尔测量中两个纵向电流的横向霍尔电压，但不需要破坏时间反转对称性。其与对称性和拓扑学有着深厚的联系，因此，开辟了探索新兴量子材料和物质相的光谱、对称性和拓扑特性的新途径。近日，南方科技大学（SUSTech）深圳量子科学与工程研究院物理系卢海舟团队在Nature Reviews Physics上发表观点文章，概述了非线性霍尔效应的最新进展。讨论了未解决问题、非线性霍尔效应在光谱和器件的应用前景，及对非线性传输效应的生成。图为 非线性霍尔效应的器件应用。非线性霍尔效应，在许多方面不同于非线性光学。在非线性光学效应中，例如光伏效应和二次谐波产生，光的频率约为 1014 Hz，这足以触发半导体中的带间跃迁。相比之下，非线性霍尔测量中的频率太低，而无法触发带间跃迁，这限制了费米表面附近的物理。另一个重要的能量尺度，是弛豫时间 τ，可用于定义玻尔兹曼极限 (ωτ ≫ 1) 和扩散极限 (ωτ ≪ 1)。实验中的低频（大约 10–1,000 Hz）， 将系统限制在扩散极限内，其中带间相干效应和无序效应的重要性是不言而喻的，并且系统的电导率很少表现出很大的频率依赖性。霍尔效应的非线性生成，将量子输运和拓扑物理学的研究推向了非线性响应机制。大量实验观察到的现象，每个现象都有不同的特征。理论前沿的一个重要研究方向，是获得对潜在机制的定量理解，并进一步探索每种非线性霍尔效应的潜在应用。例如，大多数已知实验包括，对电子能带结构的 Berry 曲率偶极子的分析，而通常不存在对无序和/或相互作用效应的定量估计。主要问题是除了贝里曲率偶极子和无序效应的半经典描述之外，不存在关于非线性霍尔效应的一致理论。当进一步考虑磁性和热传输时，这个问题变得更具挑战性。在实验方面，需要识别更多新的非线性霍尔效应和更多材料。这将能够探索新发现的非线性霍尔效应的应用，并在此基础上发明新技术。由于几何相关的高阶响应是通用的，因此迫切期待将拓扑非线性响应扩展到物理的其他领域。文献链接： /articles/s42254-021-00359-6 /10.1038/s42254-021-00359-6本文译自“Nature"。