[논문 리뷰] Effective manipulation and realization of a colossal nonlinear Hall effect in an electric-field tunable moiré system

Jinrui Zhong, Junxi Duan외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 28.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전기장 조절을 통해 AB-BA로 스택된 비틀린 더블 블레이드 그래핀에서 거대한 두 번째 순서 비선형 홀 효과를 제어함을 보여주며, 비선형 홀 도전도는 약 500 μS/V·m에 도달하여 이전 보고에 비해 수 개의 주기 높은 수준이다. 이 효과는 베리 기울기 두류와 편향된 블로흐 전자 스케일 산란 사이의 조절 가능한 상호작용에서 기인하며, 밴드 간선과 반-호프 싱귤러리티 근처에서 각각 다른 메커니즘이 지배한다.

ABSTRACT

The second-order nonlinear Hall effect illuminates a frequency-doubling transverse current emerging in quantum materials with broken inversion symmetry even when time-reversal symmetry is preserved. This nonlinear response originates from both the Berry curvature dipole and the chiral Bloch electron skew scatterings, reflecting various information of the lattice symmetries, band dispersions, and topology of the electron wavefunctions. Even though many efforts have been put in detecting the nonlinear Hall effect in diverse condensed matter systems, effective manipulation of the two principal mechanisms in a single system has been lacking, and the reported response is relatively weak. Here, we report effective manipulation of the nonlinear Hall effect and realization of a colossal second-order Hall conductivity, $\sim500 μmSV^{-1}$, orders of magnitudes higher than the reported values, in AB-BA stacked twisted double bilayer graphene. A Berry-curvature-dipole-dominated nonlinear Hall effect, as well as its controllable transition to skew-scattering-dominated response, is identified near the band edge. The colossal response, on the other hand, is detected near the van Hove singularities, mainly determined by the skew scattering of the chiral Bloch electrons. Our findings establish electrically tunable moiré systems promising for nonlinear Hall effect manipulations and applications.

연구 동기 및 목표

• 단일 양자물질 시스템에서 두 번째 순서 비선형 홀 효과를 효과적으로 제어하는 것.
• 비선형 홀 반응의 근본 원인인 베리 기울기 두류 대비 스케일 산란 간의 주요 물리 메커니즘을 규명하고 제어하는 것.
• 이전 보고치보다 수 개의 주기 높은 비선형 홀 도전도를 실현하는 것.
• 모리 헤테로구조에서 전기적 게이팅을 통해 비선형 홀 효과의 가변성을 입증하는 것.

제안 방법

• 백게이팅을 통해 밴드 구조를 조절할 수 있는 AB-BA로 스택된 비틀린 더블 블레이드 그래핀을 모리 시스템으로 활용.
• 밴드 간선과 반-호프 싱귤러리티 근처에서 페르미 수준을 전기장으로 조절.
• 비선형 홀 도전도를 추출하기 위해 두 번째 순서 홀 전류 반응을 측정.
• 이론적 모델링을 통해 베리 기울기 두류와 편향된 블로흐 전자 스케일 산란의 기여를 구분.
• 게이트 전압의 함수로 비선형 홀 반응의 변화를 분석하여 전이 영역을 규명.
• 위상적 및 운반 이론의 예측과 실험 결과를 비교하여 주요 메커니즘을 할당.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기적 구조 조절이 가능한 단일 모리 시스템에서 비선형 홀 효과를 어떻게 효과적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 비틀린 이중층 그래핀에서 비선형 홀 반응에 기여하는 베리 기울기 두류와 스케일 산란의 상대 기여는 무엇인가?
• RQ3 이 시스템에서 비선형 홀 도전도가 최대가 되는 지점과 조건은 어디인가?
• RQ4 베리 기울기 두류 지배 영역과 스케일 산란 지배 영역 간의 전이가 전기적으로 제어 가능한가?
• RQ5 이 시스템에서 실현 가능한 비선형 홀 도전도의 크기는 얼마이며, 이는 이전 보고치와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 실험적으로 거대한 두 번째 순서 비선형 홀 도전도 ~500 μS/V·m를 실현하였으며, 이는 이전 보고치보다 약 수 개의 주기 높은 증폭이다.
• 밴드 간선 근처에서는 비선형 홀 효과가 베리 기울기 두류에 의해 지배되며, 게이트 전압 조절에 따라 명확한 전이가 발생하여 스케일 산란 지배 영역으로 전환된다.
• 최대 비선형 홀 반응은 반-호프 싱귤러리티 근처에서 발생하며, 여기서 편향된 블로흐 전자 스케일 산란이 주요 기여를 한다.
• 이 시스템은 두 가지 다른 물리 메커니즘 간의 전기장 조절 가능한 전이를 보이며, 비선형 홀 효과의 동적 제어가 가능하다.
• 결과적으로 이 연구는 비틀린 더블 블레이드 그래핀이 비선형 양자 운반 현상을 탐색하고 활용하기 위한 매우 조절 가능한 플랫폼으로서의 잠재력을 입증한다.