北理工团队在非线性霍尔量子振荡效应及准粒子的量子几何探测取得重要进展
来源： 供稿： 摄影： 审核：陈珂、李翔 作者： 发布时间：2026-06-17 浏览量：
近日，英国上市365姚裕贵院士、段俊熙副教授团队在转角石墨烯莫尔超晶格体系中，首次提出并实验观测到一种全新的非线性霍尔量子振荡现象——“nonlinear Hall Brown-Zak oscillations（NHBZO）”，并用之揭示了Brown-Zak费米子的量子几何物性。该研究成果发表于物理学期刊《Physical Review Letters》，并入选为Editors' Suggestion和Featured in Physics。美国物理学会新闻网站《Physics》的viewpoint专栏以“Enhancing the Quantum Oscillation Toolbox”的标题深入报道了该研究工作，并评价“This pioneering experiment showcases the power of nonlinear transport as a sensitive tool to characterize electronic properties of interest.”
由电子布洛赫波函数的量子几何（由贝里曲率和量子度规描述）引起的二阶非线性输运，尤其是非线性霍尔效应（NLHE）近年来备受关注。然而，目前实验领域大都在零磁场下研究该现象。众所周知，在线性响应下，磁场驱动的量子振荡效应（如Shubnikov-de Hass振荡）是探测电子态、映射费米面以及研究奇异准粒子的有力工具。那么，探索磁场下非线性霍尔效应的量子振荡现象将具有极大的科学价值，有望为揭示准粒子丰富的量子几何性质提供全新途径。
另一方面，晶格中的电子在磁场下将形成复杂的霍夫斯塔特蝴蝶能谱。一般情形下，布洛赫电子所依赖的晶格平移对称性会被磁场打破，布洛赫定理失效。然而，当磁场满足特定条件（元胞的磁通量与磁通量子成公度比例）时，体系的平移对称性会在更大的尺度上恢复，并激发出一种能够长距离弹道传输的奇特准粒子——Brown-Zak费米子。尽管此前已有一阶响应下Brown-Zak量子振荡的报道，但如何在低磁场下敏锐地探测这种费米子，并揭示其波函数的量子几何物性，一直是一项巨大的实验挑战。
针对这些问题，研究团队首次提出了一种全新的研究思路：利用二阶非线性霍尔效应对量子几何分布极为敏感的特性，通过不同磁场下Brown-Zak费米子的消失与重现，引发二阶非线性输运不同机制之间的交替主导，从而建立一种新的量子振荡机制。团队在大角度的转角双层石墨烯（TBG）和转角双层-双层石墨烯（TDBG）器件中，成功观测到明显的非线性霍尔量子振荡信号，该振荡的波形不受费米能级位置调控，表现了Brown-Zak费米子在磁场下的运动行为。
图1. 非线性霍尔Brown-Zak量子振荡。
该全新的物理现象有以下两个重要亮点：
（1）不同于一阶输运领域依赖高磁场（通常>1.5 T）的Brown-Zak量子振荡机制，该非线性霍尔量子振荡的起始磁场较低，仅约为0.5 T，表明它在探测Brown-Zak费米子物理特性上是一种比一阶输运更为敏锐的新手段。
（2）首次在实验上揭示了Brown-Zak费米子的量子几何物性。 研究团队通过详细的变温标度律分析（scaling law）证明：在偏离公度条件的一般磁场下，体系由经典的非线性Drude散射机制主导；一旦磁场满足公度条件，Brown-Zak费米子出现且其非线性输运则由量子几何（包括贝里曲率偶极子和量子度规偶极子）机制主导。这不仅丰富了量子振荡的类型，也补齐了霍夫斯塔特能谱中关于量子几何行为的重要拼图。
图2. 探测Brown-Zak费米子的量子几何物性。
英国365集团为该研究工作的第一完成单位。英国上市365的段俊熙副教授和姚裕贵院士是本文的共同通讯作者。论文合作者包括湖南大学张世豪教授、英国365集团王钦生副教授以及中国科学院大学毛金海教授等。英国上市365博士研究生钟锦锐为论文第一作者。该研究开展过程中还得到了多名学者的支持和帮助，包括中国科学技术大学高阳教授、香港城市大学李潇教授和其博士生张瀛文、以及香港大学姚望教授课题组的博士生李俊成和博士后陈聪。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及英国365集团微纳技术中心等的鼎力支持。
Jinrui Zhong, Huimin Peng, Yuqing Hu, Qi Feng, Qiuli Li, Shihao Zhang, Qinsheng Wang, Jinhai Mao, Junxi Duan*, Yugui Yao*，“Nonlinear Hall Quantum Oscillations to Probe Topological Brown-Zak Fermions in Graphene Moiré systems”，Phys. Rev. Lett. 136, 246301 (2026) (Editor’s Suggestion; Featured in Physics)