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由香港大學（港大）和香港科技大學（科大）共同領導的國際研究團隊，最近在量子材料領域上取得了突破性發現，揭示了扭轉雙層石墨烯 (Twisted Bilayer Graphene)中的可控非線性霍爾效應（Controllable Nonlinear Hall Effect），為二維量子莫爾材料的獨特性質提供了新的線索，並有望在新材料和量子信息等行業中廣泛應用，以實現室溫下超高靈敏度的太赫茲檢測（Terahertz Detection）。這些發現已經在著名物理學期刊《物理評論快報（Physical Review Letters）》上發表，並且獲得編輯推介（Editors' Suggestion article）。

研究團隊成員包括港大物理學系博士研究生張栩及其導師孟子楊博士，以及科大王寧教授及其博士後研究員黃美珍和吳澤飛（現為英國曼徹斯特大學副研究員），還有美國密芝根大學的孫鍇教授。團隊結合理論、計算和實驗進行了深入的研究，發現通過調整扭轉雙層石墨烯中拓撲平帶的色散，可以輕鬆控制和操縱在霍爾效應中起關鍵作用的貝里曲率偶極矩(Berry Curvature Dipole)（詳情請參見補充說明）。

研究人員通過垂直施加的電場，發現扭轉石墨烯中平帶的色散可以輕易地被控制和操縱，並且在施加橫向驅動電流時在縱向上觀察到明顯的非線性電壓響應。響應隨外加場、應變和扭轉角的調整而變化顯著，表現出增加、減少和方向的改變。這些實驗觀察證實了非線性運輸行為（Nonlinear Transport Behaviour）對拓撲平帶中貝里曲率熱點（Berry Curvature Hotspots）滑動的敏感性，並可以通過理論計算得到完美的解釋（詳情請參見補充説明）。

研究人員還研究了摩爾勢（Moiré Potential）和扭轉角在扭轉雙層石墨烯可控非線性霍爾效應中的作用。他們發現，摩爾勢的強度在確定觀察到的非線性響應的大小方面起着關鍵的作用。通過改變石墨烯層之間的扭轉角，研究人員能夠操縱摩爾勢，從而控制非線性運輸行為。

在扭轉雙層石墨烯中展示的可控非線性霍爾效應對於在新的實驗平台中實現量子霍爾材料和非線性霍爾效應具有巨大的潛力。與傳統電子器件不同，石墨烯中的非線性霍爾效應由低頻電流驅動，沒有電壓閾值或轉換時間限制。這為使用低頻電流的倍頻和整流應用，尤其是在太赫茲頻率範圍內實現室溫下的顯着響應和超高靈敏度開闢了可能性（詳情請參見補充説明）。

團隊在扭轉雙層石墨烯中發現了可控的非線性霍爾效應，此發現代表了量子材料領域的重大進展，同時為凝聚態物理、新材料和量子信息領域進一步的探索和應用鋪路。此研究還證明了學術機構間合作的重要性，強調了跨領域合作在推動科學知識邊界方面的顯著作用。

本研究獲香港研究資助局卓越領域計劃（AoE 2D材料）及協作研究基金（CRF量子莫爾材料研究的多體範式）資助，突顯香港政府在二維量子材料，尤其是量子莫爾材料如扭轉石墨烯等研究方面的支持。本研究進行的大規模數值計算均在港大資訊科技服務高性能計算平台HPC2021和港大物理系的「黑體」超級計算機上進行的。

有關研究論文：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.066301

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