近日，红外科学与技术全国重点实验室王林、陈效双、胡伟达等通过操控II型外尔半金属中的电子波函数几何相位（贝里曲率），构建了无需P-N结的“一体化非线性霍尔整流天线”，突破了传统太赫兹探测受限于热电压阈值和载流子渡越时间的物理瓶颈。这一成果以“An all-in-one Hall rectenna with a bandwidth over 100 GHz”为题，发表在《自然·电子学》（Nature Electronics）杂志上。
在光电探测与信号处理领域，经典的二极管结构长期占据核心地位。传统二极管利用P-N结势垒构建电荷流动的非对称性，从而实现单向导电和整流。然而，这种依赖能带工程的机制面临着热电压阈值和载流子渡越时间的固有物理限制，尤其在红外与太赫兹（THz）波段，难以同时兼顾高灵敏度、宽带响应与室温工作能力。随着量子材料研究的深入，电子波函数的几何相位信息——贝里曲率（Berry curvature），被发现可作为一种内禀的“虚拟磁场”，为在动量空间直接调控电子运动轨迹提供了全新的物理自由度，也标志着光电探测正从传统的能带工程迈向波函数几何调控的新阶段。
研究团队基于II型外尔半金属NbIrTe4，巧妙利用其晶体结构的空间反演对称性破缺与拓扑特性，构建了新型太赫兹探测器。与传统二极管不同，该器件无需外加偏压或磁场，仅凭材料内禀的量子几何非对称性，即可在太赫兹电场驱动下产生横向的非互易电流（非线性霍尔效应）。实验结果显示，该全波段非线性霍尔天线在室温下展现出优异性能：实现了从射频到太赫兹波段（20–820 GHz）的宽谱整流，观测到超过27阶的宽带频率梳，并在-25 dBm的低功率下实现次谐波混频，探测带宽超过100 GHz。这表明，通过优化量子几何耦合，可以彻底摆脱界面势垒的束缚，实现电子的高效非互易输运。
在这项工作中，团队创新性地融合了量子几何与天线整流两个关键概念，从物理机制上实现了从势垒驱动向几何驱动的范式转变。该研究不仅连接了拓扑物理与光电子学，证明了贝里曲率可主导室温下的高性能光电响应，也为解决太赫兹波段“得不到、传不快”的难题提供了基于量子材料的全新解决方案，有望在未来室温、低功耗、高集成度的太赫兹感知、通信及成像系统中发挥建设性作用。同期，哈佛大学Su-Yang Xu教授在《自然·电子学》（Nature Electronics）的“新闻与观点”(News & Views）专栏发表了题为“A nonlinear Hall rectenna in NbIrTe4”的特邀评论文章，认为上海技物所团队研制的器件突破了传统P-N结二极管在热电压阈值和载流子迁移率方面的根本限制，成功确立了非线性霍尔整流天线作为一种“无结、宽带的微波至太赫兹探测器与混频器”的地位，为下一代通信、传感和无线能量采集提供了极具潜力的替代方案。
中国科学院上海技术物理研究所为本文的唯一通讯单位，博士后胡震为第一作者。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、上海市自然科学基金等项目的支持。
图1：（a）贝里曲率驱动的非线性霍尔效应物理机制示意图：展示了电子在量子几何势场作用下的非互易输运过程。（b）室温下非线性霍尔效应。（c）20-820GHz的宽带探测。（d）外尔点下产生的非线性频率转换机制：和频、差频、n波混频的多种非线性过程。（e）得益于该机制实现的多功能集成。
论文链接: https://www.nature.com/articles/s41928-026-01574-8
供稿：胡震
编辑：虞慧娴
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