[論文レビュー] Strong Room-Temperature Bulk Nonlinear Hall Effect in a Spin-Valley Locked Dirac Material

Lujin Min, Hengxin Tan+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、スピン・バルク鎖合ドーピングが生じるディラック材料BaMnSb2において、室温で顕著な内部的バルク非線形ホール効果（NLHE）を実証した。この効果は、縦方向の電流が流れる中でベリー曲率ダイポールが生成されることに起因し、電流の二乗に比例する大きな横方向ホール電圧を生じさせ、無線マイクロ波検出および周波数倍重ね合わせへの実用的応用を可能にする。

ABSTRACT

Nonlinear Hall effect (NLHE) is a new type of Hall effect with wide application prospects. Practical device applications require strong NLHE at room temperature (RT). However, previously reported NLHEs are all low-temperature phenomena except for the surface NLHE of TaIrTe4. Bulk RT NLHE is highly desired due to its ability to generate large photocurrent. Here, we show the spin-valley locked Dirac state in BaMnSb2 can generate a strong bulk NLHE at RT. In the microscale devices, we observe the typical signature of an intrinsic NLHE, i.e. the transverse Hall voltage quadratically scales with the longitudinal current as the current is applied to the Berry curvature dipole direction. Furthermore, we also demonstrate our nonlinear Hall device's functionality in wireless microwave detection and frequency doubling. These findings broaden the coupled spin and valley physics from 2D systems into a 3D system and lay a foundation for exploring bulk NLHE's applications.

研究の動機と目的

• 3次元ディラック材料において、室温で強固で内部的なバルク非線形ホール効果（NLHE）を実証すること。
• スピン・バルク鎖合の役割が、バルク系における強い非線形ホール応答を生成する仕組みを明らかにすること。
• 高温動作と大きな信号出力を達成することで、NLHEの実用的デバイス応用を可能にすること。
• 2次元系から3次元系へ、スピンとバルク自由度の結合した物理を拡張すること。
• 非線形ホール効果デバイスが、マイクロ波検出や周波数倍重ね合わせといった実世界の応用で機能することを検証すること。

提案手法

• 単結晶BaMnSb2を用いてマイクロスケールデバイスをプロセスし、非線形ホール輸送を測定した。
• ベリー曲率ダイポールの方向に縦方向電流を印加し、横方向ホール電圧を誘発した。
• 非線形ホール電圧を縦方向電流関数として測定し、二乗比例のスケーリング行動を確認した。
• 角度依存輸送測定を用いて、ベリー曲率効果によるNLHEの内部的性質を確認した。
• 非線形ホール信号を用いて、無線マイクロ波検出および周波数倍重ね合わせのデバイス機能を実証した。
• 理論的モデリングを用いて、観測されたNLHEをBaMnSb2におけるスピン・バルク鎖合ドーピング状態と関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元ディラック材料において、室温で強力で内部的なバルク非線形ホール効果を実現できるか？
• RQ2 BaMnSb2におけるスピン・バルク鎖合は、大きな非線形ホール応答を生成する上でどのように寄与するか？
• RQ3 非線形ホール電圧は、印加された縦方向電流に対してどのようなスケーリング行動を示すか？
• RQ4 バルク非線形ホール効果を、マイクロ波検出のような実用的デバイス応用に活用できるか？
• RQ5 BaMnSb2における非線形ホール効果は、どの程度内部的ベリー曲率ダイポール効果に起因するか？

主な発見

• 室温で、BaMnSb2において強力で内部的なバルク非線形ホール効果が観測され、横方向ホール電圧が縦方向電流の二乗に比例するスケーリングを示した。
• BaMnSb2における非線形ホール応答は、3次元ディラック状態におけるスピン・バルク鎖合に起因するベリー曲率ダイポールに起因するとされる。
• 室温動作下でも測定可能な非線形ホール電圧が得られ、実用温度帯におけるバルクNLHEの実現可能性が確認された。
• 非線形ホールデバイスは、無線マイクロ波信号を効果的に検出し、周波数倍重ね合わせの機能を示した。
• 角度依存測定および対称性解析により、観測されたNLHEが強固で内部的であることが確認された。
• 本研究により、エネルギー効率の高い電子素子および光子デバイスへの応用を目的としたバルク非線形輸送の研究のための、BaMnSb2が有望なプラットフォームであることが確立された。