[論文レビュー] Giant nonlinear Hall effect in strained twisted bilayer graphene

Cheng-Ping Zhang, Jiewen Xiao+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、魔角度に近いねじれ二層グラフェンにおける弱い一軸ひずみ（約0.1%）が、強化されたベリー曲率ドーピングに起因して巨大な非線形ホール効果を誘発することを示している。その値は約200 Åに達し、これまでに知られているいかなる材料よりも2個のオーダー以上に大きい。この効果は、初の魔角度付近のフラットなモアレバンドにおいて一般に生じるが、h-BN基板からの対称性の破れに対する高い感受性が要因である。

ABSTRACT

Recent studies have shown that moiré flat bands in a twisted bilayer graphene(TBG) can acquire nontrivial Berry curvatures when aligned with hexagonal boron nitride substrate [1, 2], which can be manifested as a correlated Chern insulator near the 3/4 filling [3, 4]. In this work, we show that the large Berry curvatures in the moiré bands lead to strong nonlinear Hall(NLH) effect in a strained TBG with general filling factors. Under a weak uniaxial strain $\sim 0.1\%$, the Berry curvature dipole which characterizes the nonlinear Hall response can be as large as $\sim$ 200Å, exceeding the values of all previously known nonlinear Hall materials [5-14] by two orders of magnitude. The dependence of the giant NLH effect as a function of electric gating, strain and twist angle is further investigated systematically. Importantly, we point out that the giant NLH effect appears generically for twist angle near the magic angle due to the strong susceptibility of nearly flat moiré bands to symmetry breaking induced by strains. Our results establish TBG as a practical platform for tunable NLH effect and novel transport phenomena driven by nontrivial Berry phases.

研究の動機と目的

• 魔角度に近いひずみを受けるねじれ二層グラフェン（TBG）における非線形ホール効果の出現を調査すること。
• ひずみによる対称性の破れがフラットなモアレバンドにおけるベリー曲率ドーピングをどのように強化するかを理解すること。
• TBGを強力な非線形ホール応答およびベリー・ドーピング駆動輸送現象のチューナブルなプラットフォームとして確立すること。
• 非線形ホール効果がひずみ、ゲート電圧、ねじれ角度にどのように依存するかを調査すること。
• 強い電子相関効果に依存しない状況においても、この効果が一般に成立することを示すこと。

提案手法

• 各層に質量ゼロのディラックフェルミオンを含み、層間 hopping とひずみに起因するゲージポテンシャルを組み込んだTBGの連続模型を用いる。
• 谷依存項とひずみに起因する摂動項を含む低エネルギー有効ハミルトニアンを用い、対称性の破れをモデル化する。
• 非線形ホール輸送のためのベリー曲率とベリー曲率ドーピングを、Kubo公式と線形応答理論を用いて計算する。
• ひずみの大きさ、ねじれ角度、フェルミエネルギーを体系的に変化させ、非線形ホール応答の依存性をマップする。
• h-BN基板に起因する三重対称性（C₃）の破れが、ひずみとどのように相互作用し、ベリー・ドーピングを強化するかを分析する。
• 特にバンド端付近の非相関的領域においても、この効果の頑健性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い一軸ひずみが魔角度に近いねじれ二層グラフェンで巨大な非線形ホール効果を誘発できるか？
• RQ2 ひずみを受けるTBGにおける強化されたベリー曲率ドーピングの起源は何か？また、ねじれ角度とひずみにどのように依存するか？
• RQ3 ひずみが存在する条件下で、非線形ホール応答はゲート電圧とフェルミエネルギーにどのように依存するか？
• RQ4 巨大非線形ホール効果は、整数充填因子から離れた状況を含め、さまざまな充填因子に対して頑健であるか？
• RQ5 魔角度付近のフラットなモアレバンドが、ひずみに起因する対称性の破れに対してどれほど応答を強くするか？

主な発見

• 約0.1%の一軸ひずみ下で、ひずみを受けるねじれ二層グラフェンに巨大な非線形ホール効果が出現し、ベリー曲率ドーピングは約200 Åに達する。
• この値は、これまでに調査されたすべての材料の非線形ホール応答を2個のオーダー以上上回る。
• この巨大なベリー曲率ドーピングは、ねじれ角度がθ ≈ 1.0°から1.3°の範囲で一般に現れ、初の魔角度（θₘ ≈ 1.1°）の周辺に集中する。
• この効果はバンド端付近で最も強く、ほぼフラットなモアレバンドがひずみに起因するC₃対称性の破れに対して高い感受性を示すことが原因である。
• ひずみ、ゲート電圧、ねじれ角度を用いることで非線形ホール応答をチューニング可能であり、ベリー・ドーピングの実験的制御が可能になる。
• この効果は一般の充填因子、特に相関状態に近い整数充填因子から離れた低充填領域においても持続する。これにより、フェルミ液体に基づく非線形ホール理論の妥当性が裏付けられる。