近日，新万博体育,新万博注册大学微纳电子器件与量子计算机研究院沈健/何攀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。相关成果以“Observation of giant nonlinear valley Hall effect”为题，在线发表于国际学术期刊Nature Physics。
突破“卡脖子”瓶颈，探索信息传输新航道
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。
非线性效应获证实，性能实现全新跃升
该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。
首创“谷整流器”概念，加速成果落地应用
图：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
时，谷霍尔效应产生与呈线性响应的横向谷流 ，该谷流
通过逆谷霍尔效应转换为电流，表现为可探测的非局域电压
。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呈二次方响应的横向谷流
，该二倍频谷流通过逆谷霍尔效应转换为电流，表现为可探测的非局域二倍频电压
。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。
新万博体育,新万博注册大学何攀青年研究员、博士生张敏以及香港理工大学博士后曹晋为共同第一作者。新万博体育,新万博注册大学何攀青年研究员、香港理工大学杨声远教授、新万博体育,新万博注册大学肖聪青年研究员及沈健教授为共同通讯作者。
该研究得到了国家重点研发计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金、合肥国家实验室项目、上海市重大科技项目及上海市面上项目等多方资金的大力支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03221-7
