近日，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上取得进展。相关成果以“Nonlinear Nernst effect in trilayer graphene at zero magnetic field”为题，于2025年6月23日发表在Nature Nanotechnology杂志上。
能斯特效应是一种重要的热电现象，它描述了在材料中施加温度梯度时，产生横向电压的现象。它不仅在基础物理研究中具有重要意义，还在热电能量转化应用中展现了巨大的潜力。传统能斯特效应需要外加磁场或磁性材料来打破时间反演对称性，这限制了其在微型化和电路集成中的应用。近年来，理论预测了一种非线性能斯特效应，即使在没有外加磁场和磁性材料的情况下也能产生横向电压。然而，此前这一效应尚未得到实验验证。
在此背景下，微纳电子器件与量子计算机研究院沈健/何攀课题组通过在ABA构型三层石墨烯中进行实验，首次成功观测到了零磁场下的非线性能斯特效应。实验中，研究人员利用交变温度梯度下的电学谐波测量技术，探测到在低于12开尔文的温度下，三层石墨烯中出现了显著的非线性能斯特效应。该效应与温度梯度呈二次方关系，并且在能带电荷中性点附近显著增强，其等效能斯特系数高达300微伏/开尔文，远超传统磁性材料中的最高能斯特系数。当温度梯度方向反向时，非线性能斯特效应产生的电场方向保持不变，这与二阶非线性效应的理论预期完全一致。
进一步，该实验团队与中福在线_网易彩票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律，确认了斜散射机制在高迁移率材料中驱动非线性能斯特效应起主导作用。这一发现不仅验证了理论预测，还为实现和利用巨大非线性热电响应进行能量收集和制冷应用提供了新的途径。
这一突破性的成果展示了非线性能斯特效应在热电能量转换中的巨大潜力。与传统的线性能斯特效应相比，非线性能斯特效应无需外加磁场和磁性材料，避免了磁场对设备微型化和集成化的限制。此外，三层石墨烯中的巨大能斯特系数表明，基于非线性能斯特效应的热电器件在效率和性能上具有一定优势。研究团队还指出，非线性能斯特效应有望在更广泛的非中心对称材料中实现，且可工作于随空间和时间波动的温度梯度下，甚至可能在室温下应用。这一发现为未来开发高性能热电材料和器件提供了新的方向，有望在能源回收、制冷等领域实现新的突破。
该研究团队表示，下一步将致力于探索在更高温度下实现非线性能斯特效应的可能性，并进一步优化材料性能以提高其实际应用价值。此外，他们还将探索如何通过磁场调控非线性能斯特效应，以及研究不同机制的非线性能斯特效应，以拓展其在不同应用场景中的潜力。这些研究将为热电领域带来了新的理论和实验突破，也为未来开发新型高性能热电器件提供重要的科学依据和技术支持。
中福在线_网易彩票大学博士生刘昊，李静如和博士后张志帆为论文的共同第一作者。中福在线_网易彩票大学何攀青年研究员，江华教授和沈健教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了科技部重点研发计划，国家自然科学基金和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。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01963-8
