近日，紅外科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室王林、陳效雙、胡偉達(dá)等通過操控II型外爾半金屬中的電子波函數(shù)幾何相位（貝里曲率），構(gòu)建了無需P-N結(jié)的“一體化非線性霍爾整流天線”，突破了傳統(tǒng)太赫茲探測受限于熱電壓閾值和載流子渡越時間的物理瓶頸。這一成果以“An all-in-one Hall rectenna with a bandwidth over 100 GHz”為題，發(fā)表在《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）雜志上。
在光電探測與信號處理領(lǐng)域，經(jīng)典的二極管結(jié)構(gòu)長期占據(jù)核心地位。傳統(tǒng)二極管利用P-N結(jié)勢壘構(gòu)建電荷流動的非對稱性，從而實現(xiàn)單向?qū)щ姾驼?。然而，這種依賴能帶工程的機制面臨著熱電壓閾值和載流子渡越時間的固有物理限制，尤其在紅外與太赫茲（THz）波段，難以同時兼顧高靈敏度、寬帶響應(yīng)與室溫工作能力。隨著量子材料研究的深入，電子波函數(shù)的幾何相位信息——貝里曲率（Berry curvature），被發(fā)現(xiàn)可作為一種內(nèi)稟的“虛擬磁場”，為在動量空間直接調(diào)控電子運動軌跡提供了全新的物理自由度，也標(biāo)志著光電探測正從傳統(tǒng)的能帶工程邁向波函數(shù)幾何調(diào)控的新階段。
研究團隊基于II型外爾半金屬NbIrTe4，巧妙利用其晶體結(jié)構(gòu)的空間反演對稱性破缺與拓?fù)涮匦裕瑯?gòu)建了新型太赫茲探測器。與傳統(tǒng)二極管不同，該器件無需外加偏壓或磁場，僅憑材料內(nèi)稟的量子幾何非對稱性，即可在太赫茲電場驅(qū)動下產(chǎn)生橫向的非互易電流（非線性霍爾效應(yīng)）。實驗結(jié)果顯示，該全波段非線性霍爾天線在室溫下展現(xiàn)出優(yōu)異性能：實現(xiàn)了從射頻到太赫茲波段（20–820 GHz）的寬譜整流，觀測到超過27階的寬帶頻率梳，并在-25 dBm的低功率下實現(xiàn)次諧波混頻，探測帶寬超過100 GHz。這表明，通過優(yōu)化量子幾何耦合，可以徹底擺脫界面勢壘的束縛，實現(xiàn)電子的高效非互易輸運。
在這項工作中，團隊創(chuàng)新性地融合了量子幾何與天線整流兩個關(guān)鍵概念，從物理機制上實現(xiàn)了從勢壘驅(qū)動向幾何驅(qū)動的范式轉(zhuǎn)變。該研究不僅連接了拓?fù)湮锢砼c光電子學(xué)，證明了貝里曲率可主導(dǎo)室溫下的高性能光電響應(yīng)，也為解決太赫茲波段“得不到、傳不快”的難題提供了基于量子材料的全新解決方案，有望在未來室溫、低功耗、高集成度的太赫茲感知、通信及成像系統(tǒng)中發(fā)揮建設(shè)性作用。同期，哈佛大學(xué)Su-Yang Xu教授在《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）的“新聞與觀點”(News & Views）專欄發(fā)表了題為“A nonlinear Hall rectenna in NbIrTe4”的特邀評論文章，認(rèn)為上海技物所團隊研制的器件突破了傳統(tǒng)P-N結(jié)二極管在熱電壓閾值和載流子遷移率方面的根本限制，成功確立了非線性霍爾整流天線作為一種“無結(jié)、寬帶的微波至太赫茲探測器與混頻器”的地位，為下一代通信、傳感和無線能量采集提供了極具潛力的替代方案。
中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所為本文的唯一通訊單位，博士后胡震為第一作者。該研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金等項目的支持。
圖1：（a）貝里曲率驅(qū)動的非線性霍爾效應(yīng)物理機制示意圖：展示了電子在量子幾何勢場作用下的非互易輸運過程。（b）室溫下非線性霍爾效應(yīng)。（c）20-820GHz的寬帶探測。（d）外爾點下產(chǎn)生的非線性頻率轉(zhuǎn)換機制：和頻、差頻、n波混頻的多種非線性過程。（e）得益于該機制實現(xiàn)的多功能集成。
論文鏈接:?https://www.nature.com/articles/s41928-026-01574-8
供稿：胡震
編輯：虞慧嫻
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