[論文レビュー] Giant nonlinear Hall effect in twisted WSe$_2$

Meizhen Huang, Zefei Wu+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 26被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、最初のモアレ帯の半フィルイン近傍のモアレフラットバンドにフェルミレベルを調整することで、ねじれWSe₂二層構造において巨大な非線形ホール効果（NHE）を実証した。この効果は、電子相関とバリー曲率ダイポールの関連によって生じ、抵抗率測定により確認された質量発散連続モット転移に起因する。生成効率は、先行研究と比較して少なくとも2桁以上高い。

ABSTRACT

The recently discovered nonlinear Hall effect (NHE) in a few non-interacting systems provides a novel mechanism to generate second harmonic electrical Hall signals under time-reversal-symmetric conditions. Here, we introduce a new approach to engineering NHE by using twisted moiré structures. We find that the twisted WSe$_2$ bilayer exhibits a NHE when tuning the Fermi level to the moiré flat bands. Near half-filling of the first moiré band, the nonlinear Hall signal shows a sharp peak with the generation efficiency at least two orders of magnitude larger than those in previous experiments. We propose that the giant NHE and diverging generation efficiency originate from a mass-diverging type continuous Mott transition, which is evidenced by resistivity measurements. This work demonstrates not only how interaction effects can couple to Berry curvature dipoles to produce novel quantum phenomena, but also what NHE measurements can provide for developing a new tool to study the quantum criticality.

研究の動機と目的

• ねじれWSe₂二層構造における電子相関が非線形ホール効果をどのように増幅するかを調査すること。
• 時間反転対称条件下で、モアレフラットバンドが大きな非線形ホール信号を生成する役割を調査すること。
• 観測された非線形ホール応答を連続的モット転移を通じて量子臨界性と結びつけること。
• NHEを、相関モアレ系における量子臨界現象を研究するためのプローブとして確立すること。

提案手法

• 制御されたねじれ角を有するねじれWSe₂二層ヘテロ構造の作製と特性評価。
• バックゲーティングによるフェルミレベルの調整により、最初のモアレ帯の半フィルイン近傍のモアレフラットバンドにアクセスすること。
• 時間反転対称条件下での非線形ホール電圧測定により、2次高調波ホール信号を抽出すること。
• 臨界点近傍での連続的モット転移の兆候を特定するため、抵抗率データの解析。
• 非線形ホール応答の増幅を説明するためのバリー曲率ダイポール理論の使用。
• NHE効率を先行実験結果と比較し、増幅度を定量すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モアレフラットバンド領域近傍におけるねじれWSe₂における非線形ホール効果の大きさは何か？
• RQ2 モアレフラットバンドにおける電子相関は、非線形ホール応答にどのように影響を与えるか？
• RQ3 非線形ホール効果は、相関的2次元系における量子臨界性をプローブする手段として利用可能か？
• RQ4 電子構造およびトポロジーの観点から、観測された巨大非線形ホール信号の起源は何か？
• RQ5 ねじれWSe₂における非線形ホール効率は、他の非相互作用的または弱い相関系と比較してどう異なるか？

主な発見

• ねじれWSe₂における非線形ホール信号は、最初のモアレ帯の半フィルイン近傍で急激なピークを示し、効果の強力な増幅を示している。
• 非線形ホール効果の生成効率は、以前の実験系と比較して少なくとも2桁以上高い。
• 抵抗率測定により、非線形ホール応答ピーク付近で質量発散連続モット転移の証拠が得られた。
• 巨大非線形ホール効果は、モアレバンド構造における電子相関とバリー曲率ダイポールの相乗作用に起因する。
• 結果から、非線形ホール測定は、相関モアレ材料における量子臨界性を高感度でプローブする手段となり得ると示唆された。
• 本研究は、モアレヘテロ構造を用いた強相関量子現象の工学的・研究的プラットフォームを確立した。