[論文レビュー] Berry curvature dipole senses topological transition in a moir\'e superlattice

Subhajit Sinha, Pratap Chandra Adak+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 65被引用数 139

ひとこと要約

本研究では、ねじれ双層ブラックナノシート（TDBG）におけるベリー曲率ダイポール（BCD）が、非線形ホール（NLH）電圧を介して、トポロジカル遷移の直接的な実験的プローブとして機能することを示している。垂直電場を調整することで、BCDの符号反転と同時にバルクチェルン数の変化が観測され、縦方向およびNLH応答におけるヒステリシスは、電気的にスイッチ可能な準安定状態を示しており、トポロジカルメモリデバイスへの応用を示唆している。

ABSTRACT

Topological aspects of electron wavefunction play a crucial role in determining the physical properties of materials. Berry curvature and Chern number are used to define the topological structure of electronic bands. While Berry curvature and its effects in materials have been studied, detecting changes in the topological invariant, Chern number, is challenging. In this regard, twisted double bilayer graphene (TDBG) has emerged as a promising platform to gain electrical control over the Berry curvature hotspots and the valley Chern numbers of its flat bands. In addition, strain induced breaking of the three-fold rotation (C3) symmetry in TDBG, leads to a non-zero first moment of Berry curvature called the Berry curvature dipole (BCD), which can be sensed using nonlinear Hall (NLH) effect. We reveal, using TDBG, that the BCD detects topological transitions in the bands and changes its sign. In TDBG, the perpendicular electric field tunes the valley Chern number and the BCD simultaneously allowing us a tunable system to probe the physics of topological transitions. Furthermore, we find hysteresis of longitudinal and NLH responses with electric field that can be attributed to switching of electric polarization in moir\'e systems. Such a hysteretic response holds promise for next-generation Berry curvature-based memory devices. Probing topological transitions, as we show, can be emulated in other 3D topological systems.

研究の動機と目的

• モーリー超格子において、チェルン数のようなトポロジカル不変量の変化を測定することが難しいため、それらの変化を直接探査できる方法を確立すること。
• 時間反転対称性を持つ系で空間反転対称性とC3対称性が破れている場合に、ベリー曲率ダイポール（BCD）がトポロジカル相転移の測定可能な特徴として機能することを確立すること。
• 歪みと電場がTDBGにおけるBCDの生成と調整に与える影響を調査し、トポロジカル性質を電気的に制御可能にする。
• NLHおよび縦方向抵抗応答におけるヒステリシスが、準安定な分極状態間のスイッチングに起因することを示し、ベリー曲率に基づくメモリデバイスへの応用を示唆すること。

提案手法

• 歪みがC3対称性を破り、非ゼロのBCDを生成する、約1.1°のねじれ角を有するねじれ双層ブラックナノシート（TDBG）を用いる。
• BCDは、公式 Λα = Σn ∫(mBZ) dk/(2π)² Ωn_z ∂ϵn_k/ℏ∂kα ∂f(ϵn_k)/∂ϵn_k を用いて計算され、ベリー曲率とバンド分散の関係を結ぶ。
• 交流電流励起を用いて周波数2ωで非線形ホール（NLH）電圧を測定し、V²ω_xy をBCDの直接的プローブとする。
• 電場による電位差（D/ε₀）の調節を用いて、バルクチェルン数を制御し、BCDを変調することで、トポロジカル遷移の動的プローブを可能にする。
• NLHおよび縦方向抵抗応答におけるヒステリシスを分析し、モーリー系における準安定分極状態を同定する。
• 位置依存のバンドエネルギーシフト（Hi = ϵi + eE⟨Zi⟩）を含む剛体バンドモデルを用いて、h-BN-Gr-GrおよびGr-Gr-h-BN三層構造における分極スイッチングと準安定状態を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベリー曲率ダイポール（BCD）は、モーリー系におけるトポロジカル遷移の検出可能な特徴として機能するか？
• RQ2 電位差の電場調節がTDBGにおけるBCDおよびバルクチェルン数に与える影響は何か？
• RQ3 TDBGにおける縦方向および非線形ホール応答に観測されたヒステリシスの原因は何か？
• RQ4 観測されたヒステリシスは、モーリー異種積層構造における準安定分極状態間のスイッチングに起因するか？
• RQ5 歪みによるC3対称性の破れが、TDBGにおける測定可能なBCDを生成する程度はどの程度か？

主な発見

• 電場の増加に伴い、TDBGにおけるBCDの符号が急激に反転し、バルクチェルン数の変化に関連するトポロジカル遷移を示している。
• 非線形ホール電圧（V²ω_xy）も、BCDの符号が反転する同じ電場で明確な符号反転を示し、BCDがトポロジカル遷移の直接的プローブであることを確認している。
• 電場の関数としての縦方向抵抗およびNLH電圧の両方でヒステリシスが観測され、準安定な電子状態間のスイッチングを示している。
• ヒステリシスは、三層異種積層構造における電気分極スイッチングに起因し、Gr-Gr-h-BNにおける計算分極Pz ≈ -0.34 µC/cm²が得られている。
• E < -0.0039 V/ÅおよびE > 0.0039 V/Åの領域に二つの明確な準安定状態が存在し、これらのしきい値におけるバンドクロスイングがスイッチング挙動を説明している。
• 177 Hzで測定されたNLH効果の直流成分は、非線形ホール応答をさらに確認し、信号のBCD起源を支持している。