[論文レビュー] Perspective: Nonlinear Hall Effects

Z. Z. Du, Hai‐Zhou Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この Perspective 論文は、時間反転対称性の破れを必要とせず、2つの縦方向電流に応答して横方向の電圧を生成する、最近発見されたホール効果である非線形ホール効果をレビューしている。この効果は、対称性およびトポロジーと深く関係しており、量子物質や発現的トポロジカル相をプローブするための新しい分光法的およびデバイス的応用を提供する。

ABSTRACT

The Hall effects comprise one of the oldest but most vital fields in condensed matter physics, and they persistently inspire new findings such as quantum Hall effects and topological phases of matter. The recently discovered nonlinear Hall effect is a new member of the family of Hall effects. It is characterised as a transverse Hall voltage in response to two longitudinal currents in the Hall measurement, but it does not require time-reversal symmetry to be broken. It has deep connections to symmetry and topology and thus opens new avenues via which to probe the spectral, symmetry and topological properties of emergent quantum materials and phases of matter. In this Perspective, we present an overview of the recent progress regarding the nonlinear Hall effect. After a review of the theories and recent experimental results, we discuss the problems that remain, the prospects of the use of the nonlinear Hall effect in spectroscopic and device applications, and generalisations to other nonlinear transport effects.

研究の動機と目的

• 非線形ホール効果の理解における理論的および実験的進展を包括的に概説すること。
• 非線形ホール効果の理論的および実験的研究における未解決問題と課題を特定すること。
• 非線形ホール効果が量子物質のスペクトル的性質、対称性、トポロジカル性質をプローブする分光的ツールとしての可能性を検討すること。
• 非線形ホール効果に基づくデバイス応用の見通しを議論すること。
• この枠組みをホール効果を超えた他の非線形輸送効果へ一般化すること。

提案手法

• Berry曲率と対称性保護された非線形応答に起因する非線形ホール効果の理論的枠組みをレビューすること。
• 遷移金属ジカルコゲナイドおよびワイル半金属を含むさまざまな量子物質における非線形ホール効果の実験的実現を分析すること。
• 非中心対称系における反転対称性の破れが非線形ホール効果を可能にする役割を検討すること。
• 群論およびトポロジーを用いて、結晶対称性と電子バンド構造に基づいて非線形ホール応答を分類すること。
• 有効ハミルトニアンと輸送方程式を導出し、Berry曲率ダイポールに基づいて非線形ホール電流をモデル化すること。
• 非線形ホール効果を、非線形熱電効果や非線形磁気抵抗効果などの他の非線形輸送現象と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転対称性の破れがない系において、非線形ホール効果はどのように生じるのか？
• RQ2 Berry曲率およびトポロジーは、非線形ホール応答を生成するために果たす役割は何か？
• RQ3 非線形ホール効果はどのように実験的に測定され、線形ホール効果とどのように区別されるのか？
• RQ4 強い非線形ホール効果を示す主な物質系は何か？
• RQ5 非線形ホール効果は、ホール効果を超えた他の非線形輸送現象へどのように一般化できるか？

主な発見

• 非線形ホール効果は、反転対称性が破れている系に現れ、磁場が存在しない状況でもBerry曲率ダイポールによって駆動される。
• この効果は、特にBerry曲率分布を含む電子バンドの運動量空間幾何学を直接プローブするものである。
• WTe2 や MoTe2 などの材料における実験的観測により、2つの縦方向電流の積に比例する非線形ホール電圧の存在が確認された。
• 特定のトポロジカル材料では、非線形ホール応答が量子化されており、トポロジカル不変量に起因することが示唆されている。
• 非線形ホール効果は、量子物質の運動量空間トポロジーをマップするための新しい分光法的手法を可能にする。
• この効果は、非線形応答工学に基づく低消費電力エレクトロニクスデバイスの設計に新たな道を拓く。