近日，復(fù)旦大學(xué)微納電子器件與量子計(jì)算機(jī)研究院沈健/何攀課題組在能斯特效應(yīng)的非線性響應(yīng)研究上取得進(jìn)展。相關(guān)成果以“Nonlinear Nernst effect in trilayer graphene at zero magnetic field”為題，于2025年6月23日發(fā)表在Nature Nanotechnology雜志上。

能斯特效應(yīng)是一種重要的熱電現(xiàn)象，它描述了在材料中施加溫度梯度時，產(chǎn)生橫向電壓的現(xiàn)象。它不僅在基礎(chǔ)物理研究中具有重要意義，還在熱電能量轉(zhuǎn)化應(yīng)用中展現(xiàn)了巨大的潛力。傳統(tǒng)能斯特效應(yīng)需要外加磁場或磁性材料來打破時間反演對稱性，這限制了其在微型化和電路集成中的應(yīng)用。近年來，理論預(yù)測了一種非線性能斯特效應(yīng)，即使在沒有外加磁場和磁性材料的情況下也能產(chǎn)生橫向電壓。然而，此前這一效應(yīng)尚未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在此背景下，微納電子器件與量子計(jì)算機(jī)研究院沈健/何攀課題組通過在ABA構(gòu)型三層石墨烯中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首次成功觀測到了零磁場下的非線性能斯特效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用交變溫度梯度下的電學(xué)諧波測量技術(shù)，探測到在低于12開爾文的溫度下，三層石墨烯中出現(xiàn)了顯著的非線性能斯特效應(yīng)。該效應(yīng)與溫度梯度呈二次方關(guān)系，并且在能帶電荷中性點(diǎn)附近顯著增強(qiáng)，其等效能斯特系數(shù)高達(dá)300微伏/開爾文，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)磁性材料中的最高能斯特系數(shù)。當(dāng)溫度梯度方向反向時，非線性能斯特效應(yīng)產(chǎn)生的電場方向保持不變，這與二階非線性效應(yīng)的理論預(yù)期完全一致。

進(jìn)一步，該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)與復(fù)旦大學(xué)理論物理與信息科學(xué)交叉中心謝心澄院士/江華教授團(tuán)隊(duì)合作，建立了非線性能斯特效應(yīng)與線性塞貝克效應(yīng)之間的標(biāo)度律，確認(rèn)了斜散射機(jī)制在高遷移率材料中驅(qū)動非線性能斯特效應(yīng)起主導(dǎo)作用。這一發(fā)現(xiàn)不僅驗(yàn)證了理論預(yù)測，還為實(shí)現(xiàn)和利用巨大非線性熱電響應(yīng)進(jìn)行能量收集和制冷應(yīng)用提供了新的途徑。

這一突破性的成果展示了非線性能斯特效應(yīng)在熱電能量轉(zhuǎn)換中的巨大潛力。與傳統(tǒng)的線性能斯特效應(yīng)相比，非線性能斯特效應(yīng)無需外加磁場和磁性材料，避免了磁場對設(shè)備微型化和集成化的限制。此外，三層石墨烯中的巨大能斯特系數(shù)表明，基于非線性能斯特效應(yīng)的熱電器件在效率和性能上具有一定優(yōu)勢。研究團(tuán)隊(duì)還指出，非線性能斯特效應(yīng)有望在更廣泛的非中心對稱材料中實(shí)現(xiàn)，且可工作于隨空間和時間波動的溫度梯度下，甚至可能在室溫下應(yīng)用。這一發(fā)現(xiàn)為未來開發(fā)高性能熱電材料和器件提供了新的方向，有望在能源回收、制冷等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的突破。

該研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步將致力于探索在更高溫度下實(shí)現(xiàn)非線性能斯特效應(yīng)的可能性，并進(jìn)一步優(yōu)化材料性能以提高其實(shí)際應(yīng)用價值。此外，他們還將探索如何通過磁場調(diào)控非線性能斯特效應(yīng)，以及研究不同機(jī)制的非線性能斯特效應(yīng)，以拓展其在不同應(yīng)用場景中的潛力。這些研究將為熱電領(lǐng)域帶來了新的理論和實(shí)驗(yàn)突破，也為未來開發(fā)新型高性能熱電器件提供重要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

復(fù)旦大學(xué)博士生劉昊，李靜如和博士后張志帆為論文的共同第一作者。復(fù)旦大學(xué)何攀青年研究員，江華教授和沈健教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金和上海市面上項(xiàng)目的資助。

圖：在ABA三層石墨烯中觀測零磁場下的非線性能斯特效應(yīng)。a,傳統(tǒng)線性能斯特效應(yīng)的示意圖。B為磁場，M代表磁性材料中的磁化強(qiáng)度。b，非線性能斯特效應(yīng)的示意圖。其特征是不需要外加磁場和磁性材料。c，放置在硅片上的h-BN封裝的三層石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖。d，熱電效應(yīng)測量器件的光學(xué)顯微鏡照片。e，不同載流子濃度下非線性能斯特電壓隨溫度梯度的變化數(shù)據(jù)。f，在正反溫度梯度下非線性能斯特效應(yīng)產(chǎn)生的電場隨載流子濃度的變化數(shù)據(jù)。