复旦大学沈健/何攀课题组发现零磁场下的非线性能斯特效应

近日，复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院沈健/何攀课题组在能斯特效应的非线性响应研究方面取得重要进展。相关研究成果以“nonlinear nernst effect in trilayer graphene at zero magnetic field”为题，于2025年6月23日发表在《nature nanotechnology》期刊上。

能斯特效应是一种重要的热电现象，表现为在材料中施加温度梯度时会产生横向电压。该效应不仅在基础物理研究中具有重要意义，也在热电能量转换应用中展现出广阔前景。传统的能斯特效应通常需要外加磁场或依赖磁性材料来破坏时间反演对称性，这在一定程度上限制了其在微型化和电路集成中的实际应用。近年来，理论上预测了一种无需磁场或磁性材料即可实现的非线性能斯特效应，但此前尚未有实验成功验证这一理论。

在此背景下，沈健/何攀课题组通过对ABA堆垛结构的三层石墨烯进行实验研究，首次在零磁场条件下观测到了显著的非线性能斯特效应。研究人员采用交变温度梯度下的电学谐波测量方法，在低于12开尔文的温度下检测到该效应。实验发现，该效应与温度梯度呈二次关系，并在能带电荷中性点附近明显增强，其等效能斯特系数高达300微伏/开尔文，远高于传统磁性材料中的最高值。此外，当温度梯度方向反转时，所产生的电场方向保持不变，符合二阶非线性响应的理论预期。

为进一步揭示其物理机制，该团队与复旦大学理论物理与信息科学交叉中心谢心澄院士/江华教授团队合作，建立了非线性能斯特效应与线性塞贝克效应之间的标度关系，确认斜散射机制在高迁移率材料中起主导作用。这项成果不仅验证了理论预测，也为开发基于非线性热电响应的能量收集与制冷技术提供了新思路。

该研究成果展示了非线性能斯特效应在热电转换中的巨大潜力。相比传统线性能斯特效应，它无需外加磁场和磁性材料，突破了磁场对器件微型化和集成化的限制。同时，三层石墨烯中表现出的超高能斯特系数表明，基于该效应的热电器件在效率和性能方面具备优势。研究人员指出，这种非线性能斯特效应有望在更多非中心对称材料中实现，并可在空间和时间变化的温度梯度下工作，甚至可能适用于室温环境。这一发现为未来高性能热电材料和器件的设计开辟了新的路径，有望推动能源回收和制冷技术的发展。

研究团队表示，下一步将重点探索在更高温度下实现非线性能斯特效应的可能性，并通过优化材料性能提升其实际应用价值。同时，他们还将研究如何利用磁场调控该效应，并探索不同机制下的非线性能斯特效应，以拓展其在多种应用场景中的潜力。这些研究将为热电领域带来新的理论与实验突破，为新型高效热电器件的研发提供坚实的科学基础和技术支撑。

本论文的共同第一作者为复旦大学博士生刘昊、李静如及博士后张志帆。共同通讯作者为何攀青年研究员、江华教授和沈健教授。该项目得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金以及上海市面上项目的资助。

图：在ABA三层石墨烯中观测零磁场下的非线性能斯特效应。a,传统线性能斯特效应的示意图。B为磁场，M代表磁性材料中的磁化强度。b，非线性能斯特效应的示意图。其特征是不需要外加磁场和磁性材料。c，放置在硅片上的h-BN封装的三层石墨烯结构示意图。d，热电效应测量器件的光学显微镜照片。e，不同载流子浓度下非线性能斯特电压随温度梯度的变化数据。f，在正反温度梯度下非线性能斯特效应产生的电场随载流子浓度的变化数据。

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