[論文レビュー] Nonlinear Hall Effects in Strained Twisted Bilayer WSe$_2$

Jin-Xin Hu, Cheng-Ping Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2020

2D Materials and Applications参考文献 28被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、トポロジカルに非自明なフラットバンドにおける非ゼロのベリー曲率ダイポールにより、ねじれヘテロステライトWSe₂における一軸ひずみが、大きな非線形ホール（NLH）応答を誘発することを提案している。NLH信号は垂直方向の電界によるチューニングでトポロジカル相転移に近づくと著しく増幅し、相転移を越えて符号が反転する。これにより、NLHはトポロジカル性質のプローブとして機能し、モアレ材料におけるチューナブルな整流および二次高調波生成が可能になる。

ABSTRACT

Recently, it has been pointed out that the twisting of bilayer WSe$_2$ would generate topologically non-trivial flat bands near the Fermi energy. In this work, we show that twisted bilayer WSe$_2$ (tWSe$_2$) with uniaxial strain exhibits a large nonlinear Hall (NLH) response due to the non-trivial Berry curvatures of the flat bands. Moreover, the NLH effect is greatly enhanced near the topological phase transition point which can be tuned by a vertical displacement field. Importantly, the nonlinear Hall signal changes sign across the topological phase transition point and provides a way to identify the topological phase transition and probe the topological properties of the flat bands. The strong enhancement and high tunability of the NLH effect near the topological phase transition point renders tWSe$_2$ and related moire materials new platforms for rectification and second harmonic generations.

研究の動機と目的

• 一軸ひずみがねじれヘテロステライトWSe₂における三重回転対称性を破ることで、非ゼロのベリー曲率ダイポールが生じることを調査すること。
• フラットバンド内の非自明なベリー曲率のおかげで、ひずみを加えたtWSe₂における非線形ホール（NLH）効果が大きく、チューナブルになることを実証すること。
• 垂直方向の電界によって誘起されるトポロジカル相転移を越えてNLH応答の符号が反転することを示し、トポロジカルバンド性質のプローブとしての役割を果たすこと。
• 高いチューナビリティと強いNLH応答のおかげで、ひずみを加えたtWSe₂を、強化された二次高調波生成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

• 連続体モデルを用いて、C3z対称性を破る底部層への一軸ひずみを含むひずみを加えたtWSe₂系を記述する。
• ハミルトニアンには、底部層および上部層の谷に依存する項が含まれ、ひずみに起因するポテンシャルの変調と垂直方向の電界が含まれる。
• ボルツマンアプローチを用いてベリー曲率ダイポールを計算し、モアレブリユアンゾーンおよび両谷にわたって統合する。
• 非線形ホール感受性はベリー曲率ダイポールから導出され、ダイポールはフェルミ速度とベリー曲率を含む運動量空間における積分として定義される。
• バンドのトポロジカル性を確認するため、ベリー曲率からチーン数を計算する。
• 数値計算により、ひずみおよび電界の関数としてのベリー曲率ダイポールとNLH応答を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 元々のC3z対称性があるにもかかわらず、ねじれヘテロステライトWSe₂における一軸ひずみが非ゼロのベリー曲率ダイポールをどのように生成するのか？
• RQ2 ひずみを加えたtWSe₂における非線形ホール応答の大きさとチューナビリティは何か？また、電界にどのように依存するか？
• RQ3 非線形ホール効果は、モアレ材料におけるトポロジカル相転移のプローブとして機能できるか？
• RQ4 なぜ非線形ホール信号は、tWSe₂におけるトポロジカル相転移点付近で著しく増幅するのか？
• RQ5 半フィルイン近傍における電子間相互作用および対称性の破れ状態は、非線形ホール応答にどのように影響するのか？

主な発見

• tWSe₂における一軸ひずみはC3z対称性を破り、有限のベリー曲率ダイポールを可能にし、結果として大きな非線形ホール応答を生じる。
• 非線形ホール信号は、上位2つの価電子帯が接触し、ベリー曲率が交換されるトポロジカル相転移点付近で著しく増幅する。
• ベリー曲率ダイポールはトポロジカル相転移を越えて符号が反転し、このような転移を特定する明確なシグネチャを提供する。
• ひずみ下で非線形ホール応答の大きさは約0.2–1 Åに達し、従来の材料と比較して顕著な増幅が示される。
• 電子状態数と電界の関数としてのNLH応答には、四翼の「バタフライ」構造が現れ、トポロジカル転移を反映している。
• これらの結果は、高いチューナビリティと強い非線形応答のおかげで、ひずみを加えたtWSe₂および関連するモアレ材料が、整流および二次高調波生成のための有望なプラットフォームである可能性を示唆している。