[論文レビュー] Effective manipulation and realization of a colossal nonlinear Hall effect in an electric-field tunable moiré system

Jinrui Zhong, Junxi Duan+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、AB-BA積層型ねじれ二層グラフェンというモアレ系において、電界によって制御可能な巨大な2次非線形ホール効果を実証した。非線形ホール電導度は約500 μS/V·mに達し、以前の報告と比べて数個のオーダーも高い。この効果は、ベリー曲率ドーピングとキラルブロッホ電子のねじれ散乱の間で調整可能な相互作用に起因し、バンド端付近ではメカニズムが顕著に異なる。

ABSTRACT

The second-order nonlinear Hall effect illuminates a frequency-doubling transverse current emerging in quantum materials with broken inversion symmetry even when time-reversal symmetry is preserved. This nonlinear response originates from both the Berry curvature dipole and the chiral Bloch electron skew scatterings, reflecting various information of the lattice symmetries, band dispersions, and topology of the electron wavefunctions. Even though many efforts have been put in detecting the nonlinear Hall effect in diverse condensed matter systems, effective manipulation of the two principal mechanisms in a single system has been lacking, and the reported response is relatively weak. Here, we report effective manipulation of the nonlinear Hall effect and realization of a colossal second-order Hall conductivity, $\sim500 μmSV^{-1}$, orders of magnitudes higher than the reported values, in AB-BA stacked twisted double bilayer graphene. A Berry-curvature-dipole-dominated nonlinear Hall effect, as well as its controllable transition to skew-scattering-dominated response, is identified near the band edge. The colossal response, on the other hand, is detected near the van Hove singularities, mainly determined by the skew scattering of the chiral Bloch electrons. Our findings establish electrically tunable moiré systems promising for nonlinear Hall effect manipulations and applications.

研究の動機と目的

• 単一の量子材料系における2次非線形ホール効果の効果的制御を達成すること。
• 非線形ホール応答の背後にある主要な物理的メカニズム（ベリー曲率ドーピング対ねじれ散乱）を特定し、制御すること。
• 従来の報告値よりも数個のオーダーも高い、極めて大きな非線形ホール電導度を実現すること。
• モアレヘテロ構造における静電的ゲーティングによって非線形ホール効果のチューニングを実証すること。

提案手法

• バックゲーティングによりバンド構造をチューニング可能なAB-BA積層型ねじれ二層グラフェンをモアレ系として用いる。
• 電界を印けてフェルミ準位をバンド端やヴァン・ホーフェ・特異点付近にスイッチングする。
• 2次ホール電流応答を測定し、非線形ホール電導度を抽出する。
• 理論的モデリングを用いて、ベリー曲率ドーピングとキラルブロッホ電子のねじれ散乱による寄与を区別する。
• ゲート電圧の関数としての非線形ホール応答の変化を分析し、遷移領域を同定する。
• トポロジカルおよび輸送理論の予測と実験結果を比較し、支配的メカニズムを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チューナブルな電子構造を有する単一のモアレ系において、非線形ホール効果をどのように効果的に制御できるか？
• RQ2 ねじれ二層グラフェンにおける非線形ホール応答に、ベリー曲率ドーピングとねじれ散乱の相対的寄与はそれぞれどのように寄与しているか？
• RQ3 この系において非線形ホール電導度が最大値を示す位置と条件は何か？
• RQ4 ベリー曲率ドーピング支配領域とねじれ散乱支配領域の間の遷移を電界で制御可能か？
• RQ5 この系で達成可能な非線形ホール電導度の大きさはどの程度であり、従来の報告値と比較してどう異なるか？

主な発見

• 実験的に、約500 μS/V·mの巨大な2次非線形ホール電導度が達成され、以前の報告値と比べて1桁以上も高い。
• バンド端付近では非線形ホール効果がベリー曲率ドーピングによって支配され、ゲート電圧のチューニングにより明確にねじれ散乱支配領域に移行する。
• 最大の非線形ホール応答はヴァン・ホーフェ特異点付近に現れ、ここではキラルブロッホ電子のねじれ散乱が主な寄与となる。
• この系は、2つの異なる物理的メカニズム間の電界で制御可能なクロスオーバーを示し、非線形ホール効果の動的制御が可能である。
• 本結果により、ねじれ二層グラフェンが非線形量子輸送現象の探索と応用に非常にチューナブルなプラットフォームであることが確立された。