近日，中国科学院上海技术物理研究所王林、陈效双、陆卫研究团队提出在强自旋-轨道耦合的半金属量子材料中实现新型长波光子探测机制——非线性霍尔效应，探测器在无任何外加磁场与内建电场作用下，由于无序散射外在机制（斜散射或侧跳机制）诱导产生非线性霍尔效应（零磁场下横向电流和输入电压之间的固有二次关系），最终在太赫兹光场下产生霍尔二阶整流结果。这为研究强自旋轨道耦合和反转对称破缺系统中无序散射诱导的非线性整流获取低能光子开辟了新的途径。
相关成果以“Terahertz Nonlinear Hall Rectifiers Based on Spin-Polarized Topological Electronic States in 1T-CoTe₂”为题作为卷首文章（frontispiece）发表于国际学术期刊Advanced Materials。
研究背景
红外-太赫兹光电探测技术在空间天文、气象观测、空间防御等领域具有广阔前景，受限于高质量探测材料与光电原理，传统红外长波探测电荷分离机制存在多种暗电流噪声如隧穿、俄歇、复合等因素所造成的灵敏度和工作温度问题，在满足战术泛在化应用需求中面临着挑战。特别随着当前光电探测智能化水平的不断提升，对探测器功耗、速度、集成度等多重指标提出了综合要求。为此，探索新材料、新工作机制、新器件结构成为拓展红外探测波长或功能的重要方向。
对于光电探测来说，实现对电子态的操控产生高速光诱导电荷分离至关重要，当波长远小于材料禁带，光生载流子的能力取决于非平衡光电工作模式，则涉及到多重电荷态作用如热效应、非线性效应、相变等。近年来，量子材料的电子波函数的量子本征特性（量子几何、拓扑和纠缠）表现出独特的电学和光学性质（高次谐波产生、光频混波、Floquet工程等），其中非线性霍尔效应（NLHE）作为近年来霍尔家族的新成员，成为量子态拓扑性质研究的热门课题。NLHE的特征是纵向电流驱动横向霍尔电压，产生异于常规霍尔效应的线性响应关系，呈现出非线性的关系，且可在零磁场下工作，不需要时间反转对称性破缺，不受半导体结固有的热电压阈值或渡越时间的限制，促进量子波函数几何和对称特征耦合的非平衡效应构筑新型微纳器件的新功能。
研究亮点
目前大多NLHE的研究主要基于非零贝里曲率的外尔半金属，依赖于量子材料的反转对称性破坏，检测到的倍频信号通常比较小且受限于非常低的驱动频率和温度，限制了其进一步应用。在这项研究之前，研究团队曾尝试在本征磁性拓扑绝缘体材料体系中，以其材料自身磁性打破时间反转对称性，利用Berry曲率偶极子驱动的本征贡献，诱导产生明显的非线性太赫兹光电流 [Nano Lett. 2022, 22, 7492−7498 ]。
受此启发，课题组考虑在无Berry曲率下产生类似光整流的可能性，并试图在具备丰富晶体构型和色散关系的Dirac半金属体系探索NLHE实现的微观非平衡机制。为此，研究者通过理论材料结构设计对磁性重金属化合物进行递推，采用CVT技术制备出高结晶度的1T-CoTe₂半金属单晶（图1）。
a. CoTe₂的化学蒸汽传输装置的示意图。b .CoTe₂薄片的原子结构。c. 层状CoTe₂晶体的HRTEM图像。d. 从本体区域捕获的选定区域电子衍射图案。e,f. 分别来自c的表面e和体f部分的放大原子分辨率球差校正的STEM图像。g. 六边形1T-CoTe₂薄片的低放大分辨率透射电子显微镜（TEM）图像和Co和Te元素的能量色散光谱映射。h. X射线光电子能谱实验测量CoTe₂的劈裂表面及其在不同时间暴露后的改性后的Co-2p和Te-3d内核水平。
为进一步验证CoTe₂材料电子态分布特性，采用自旋ARPES实验结合密度泛函理论计算结果（DFT），证明了该材料存在自旋极化表面态，而体电子态满足反演对称的条件，其拓扑表面态Berry曲率呈现对称分布（图2），排除了Berry曲率偶极子的影响因素。为了研究材料在高频微波和太赫兹频率下的二阶响应，采用二次谐波（SHG）产生实验来进一步确定材料的对称性，实验结果得到强的SHG信号（图2），这归因于材料表面对称性的破缺。
a. SHG测量装置示意图。b. 来自CoTe₂的SHG的测量光谱（蓝色曲线）和云母衬底（红色曲线）。c. SHG发射对泵浦激光偏振的依赖性。d) CoTe₂沿Γ-A方向的轨道分辨体带色散。e. 整个布里渊区的拓扑表面态Berry曲率分布计算示意图。f. 计算的费米表面Berry曲率分布。g. 密度泛函理论计算了沿M−−M方向的动量解析谱函数图。h. 沿（001）表面布里渊区M−−M方向的实验ARPES光谱。i,j. 表面带沿M−−M方向的自旋纹理的计算和实验。
为实现高频信号的有效接收和量子态非平衡耦合，研究者制备出集成领结天线的霍尔整流器结构。在太赫兹场下，由领结天线增强的振荡产生纵向太赫兹场，在横向端收集到较大的直流电流（图3），根据NLHE理论材料intrinic（Berry曲率部分）和extrinsic（外在贡献，如disorder的散射等）都可产生NLHE，由于该材料内在Berry曲率偶极子的贡献几乎忽略不计，可产生NLHE传输可归结于手性电子态的斜散射和侧跳机制的非平衡效应产生的外部贡献。在零磁场下，该霍尔整流探测功能可在零外部偏压下运行，具有快速的响应速度、零阈值电压以及高带宽的特点，避免了传统电荷输运特征受截止频率或波长的限制，为新一代高效量子倍频器件和整流器件的设计提供新的思路，有助于推动通讯、传感和长波探测等技术的发展。
a. 由天线耦合狄拉克半金属CoTe₂制成的器件结构示意图。b. 手性相反的拓扑表面态的斜散射和侧跳示意图。c. CoTe₂探测器中的辐射功率依赖性光电流。d,e. 测量的整流光电流的光谱依赖性：d的光谱频率为0.02-0.04 THz， e的光谱频率为0.08-0.12 THz。f,g. 横向光电流的偏振依赖性：d和e的比极化光电流峰值频率分别为f 0.027和g 0.108 THz。h,i. 纵向电极h和横向电极i在不同极化角度下的整流光电流光谱的彩色图，验证了NLHE特性。
总结与展望
该工作利用CVT途径合成了具有良好结晶度的Ⅱ型Dirac半金属候选分子1T-CoTe₂，通过自旋- ARPES和光谱函数理论揭示了该分子具有较强的自旋-轨道耦合和非微小的拓扑保护表面和体带。在此基础上，实验设计二阶非线性霍尔整流器，在室温时间反转对称下，利用自旋纹理手性表面态的外部斜散射和侧跳机制（不同于任何半导体结和Berry曲率偶极子）诱导产生了一种非线性太赫兹光响应。该研究结果不仅为提高对拓扑物理的基本理解开辟了广阔前景，而且通过探索新型拓扑量子材料中的NLHE，为克服红外/太赫兹光子技术的局限性提供了一种新的策略。
上海技术物理研究所王林启明星研究员、意大利拉奎拉大学Antonio Politano教授为论文的共同通讯作者。上海技术物理研究所博士生胡震、博士后张力波为文章的共同第一作者，实验室胡伟达研究员、王少伟研究员等专家学者给予支持和有益研讨，同时还包括坎普尔理工学院理论学家Amit Agarwal等有关合作者，中科院上海技术物理研究所为第一通讯单位。该项研究工作同时得到了国家重点研发计划、国家自然基金委、STCSM、上海市科委等的资助。
