非线性电荷输运包含非互易纵向电阻和非线性霍尔效应，因其能用来探测新材料的对称性和拓扑性质及在交直流整流方面的潜在应用引起人们的关注。在本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄中，最近不同的研究组均报道到了显著的非互易纵向电阻和非线性霍尔效应，并声称是由量子度量偶极矩引起的。然而，在二维器件的非互易输运测量中，需要仔细验证并排除外在测量因素对二次谐波信号的贡献，才能进一步研究材料本征的非互易行为。

       近期，物理系张金松研究组揭示了MnBi₂Te₄中非线性输运信号主要来源于外加栅极电压的振荡，并提出在二次谐波测量时将不同测量电极分别接地，可以抑制这种栅极电压振荡带来的二次谐波信号。这项研究成果以“Second harmonic generation induced by gate voltage oscillation in few layer MnBi₂Te₄”为题于10月14日发表在npj Quantum materials上。

       在一般导体中，电阻与电流方向无关。然而，在某些特殊情况下，电阻与电流方向相关。例如，对于二极管，正向偏置时电阻很小，而反向偏置时电阻很大；在单一材料中，比如手性导体，当电流与磁场平行时，电流会导致感生磁场，从而增加或减少样品的电阻。在这些情况下，导体的电流-电压曲线不再呈线性关系，呈现出非线性现象，并且电阻值在正负电流下并不一致，这种差异被称为非互易电阻。在实际测量中，为提高测量精度，通常会使用频率为w的交流电流作为电流源，并使用锁相技术来检测2w的倍频信号，所以非互易现象也可以叫二次谐波现象。二极管整流是最常见利用非互易现象的器件。

图1. (a)普通导体和手性导体的电阻与电流方向的关系。(b)手性导体中的电流-电压曲线和交流情况下的电流电压曲线。

       研究团队在研究MnBi₂Te₄中非互易信号时发现，该信号与接地方式有关。通过改变样品接地位置，有限元电学模拟以及主动在栅极电压端添加变压器揭示了MnBi₂Te₄中非线性输运信号主要源自栅极电压振荡。图2展示了栅极电压振荡产生非线性输运信号的主要过程。考虑将源极（S端）接地，当往样品中通电流时（图2a），由于电阻的存在，样品产生电势分布。在通正电流时，样品左侧电势低于右侧电势，负电流时相反（图2d），这就导致样品的有效栅极电压与位置和电流方向有关，正电流时样品右侧的有效栅极电压低于左侧，负电流时则相反（图2e）。在MnBi₂Te₄中，样品电阻对栅极电压非常敏感（图3c），因此在p型区域，通正电流时的样品电阻较低，负电流时电阻较高，从而产生非线性的IV曲线（图2f）。图2b为在源极或漏极分别接地时，实际测量的2w信号，与有限元电学模拟结果一致。该研究表明在具有栅极电压的二维材料器件中，在确认非线性输运性质具有本征来源之前，应该先排除栅极电压振荡对二次谐波的影响。

图2. (a)不同电流方向和接地的测量示意图。(b)不同接地情况下二次谐波测量信号。(c) MnBi₂Te₄电阻随栅极电压的变化曲线及源极接地时正负电流下电阻的影响。(d)源极接地时，正负电流下样品电势分布。 (e)源极接地时，正负电流下样品有效栅极电压分布。(f)源极接地时，p型和n型区域的电流-电压曲线。

       清华大学物理系张金松副教授为该论文的通讯作者，清华大学“水木学者”许良才博士、物理系博士生连梓臣、物理系科研助理王永超为该论文的共同第一作者。合同团队包括清华大学物理系王亚愚教授、北京量子信息科学研究院冯洋副研究员和中国人民大学物理系刘畅研究员。该研究工作受到了国家自然科学基金、清华大学“水木学者”计划和博士后面上项目等资助，同时得到了清华大学低维量子物理国家重点实验室的支持。

       全文链接：https://doi.org/10.1038/s41535-024-00694-8