[論文レビュー] Intrinsic nonlinear Hall effect and gate-switchable Berry curvature sliding in twisted bilayer graphene

Meizhen Huang, Zefei Wu+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2022

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、位相的Berry曲率ダイポールによって駆動される高品質なねじれ二層グラフェンにおける内在的非線形ホール効果を実証した。外部電場によるスライディングを介したゲート可変制御が、Berry曲率ホットスポットの位置を制御し、非線形ホール応答を調整可能である。結果は、非線形輸送において内在的トポロジーが散乱による外的不純物効果を上回ることを確認し、ねじれ二層グラフェンが非線形ホール効果および二次高調波発生のチューナブルなプラットフォームとしての可能性を確立した。

ABSTRACT

Though the observation of the quantum anomalous Hall effect and nonlocal transport response reveals nontrivial band topology governed by the Berry curvature in twisted bilayer graphene, some recent works reported nonlinear Hall signals in graphene superlattices that are caused by the extrinsic disorder scattering rather than the intrinsic Berry curvature dipole moment. In this work, we report a Berry curvature dipole induced intrinsic nonlinear Hall effect in high-quality twisted bilayer graphene devices. We also find that the application of the displacement field substantially changes the direction and amplitude of the nonlinear Hall voltages, as a result of a field-induced sliding of the Berry curvature hotspots. Our work not only proves that the Berry curvature dipole could play a dominant role in generating the intrinsic nonlinear Hall signal in graphene superlattices with low disorder densities, but also demonstrates twisted bilayer graphene to be a sensitive and fine-tunable platform for second harmonic generation and rectification.

研究の動機と目的

• グラフェンスーパクリスタルにおける非線形ホール応答の内在的Berry曲率ダイポール寄与と外的不純物散乱効果を区別すること。
• 高品質なねじれ二層グラフェンデバイスにおけるバンドトポロジーが非線形ホール信号を生成する役割を調査すること。
• ねじれ二層グラフェンにおける外部電場を用いた非線形ホール効果のチューナビリティを探索すること。
• ねじれ二層グラフェンにおけるゲート電圧を用いたBerry曲率分布の動的制御を実証すること。
• ねじれ二層グラフェンを、ゲートスイッチ可能な二次高調波発生および整流のためのプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 低不純度密度の剥離されたねじれ二層グラフェンデバイスを用いた非線形ホール電圧の測定。
• 垂直方向の電界を印加してバンド構造およびBerry曲率分布をチューニングする。
• 輸送測定を用いて非線形ホールコンダクタンスおよびその電場依存性を抽出する。
• 内在的非線形ホール効果の起源としてBerry曲率ダイポールモーメントの分析。
• ゲート電圧による非線形ホール電圧の方向および振幅の変調を観測し、Berry曲率ホットスポットのスライディングを示す。
• 実験結果をトポロジカル系における内在的非線形応答の理論モデルと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高品質なねじれ二層グラフェンにおいて、内在的Berry曲率ダイポールが不純物に依存しない非線形ホール効果を支配的に生成できるか？
• RQ2 電界がねじれ二層グラフェンにおけるBerry曲率の空間的分布および強度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ゲート電圧を用いて非線形ホール電圧の大きさと方向をどの程度チューニングできるか？
• RQ4 Berry曲率ホットスポットのスライディングが非線形ホール応答をどのようにモードするか？
• RQ5 ねじれ二層グラフェンは、ゲートスイッチ可能な二次高調波発生および整流のためのプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• ねじれ二層グラフェンにおける内在的非線形ホール効果は、外的不純物散乱ではなく、Berry曲率ダイポールに起因する。
• 電界の印加により、Berry曲率ホットスポットの明確なスライディングが観測され、非線形ホール電圧の方向および振幅が変化した。
• 非線形ホール電圧は強いゲート可変性を示し、変動する電界下で符号および大きさの逆転が観測された。
• 観測された非線形ホール応答は、トポロジカル系におけるBerry曲率ダイポール駆動輸送の理論的予測と整合的である。
• 本系は、ゲートスイッチ可能な二次高調波発生および整流を示しており、非線形ナノエレクトロニクスへの応用可能性を示している。
• 結果は、高品質なねじれ二層グラフェンが、内在的トポロジーに根ざした強固でチューナブルな非線形応答を支持していることを確認した。