[논문 리뷰] Giant nonlinear Hall effect in strained twisted bilayer graphene

Cheng-Ping Zhang, Jiewen Xiao외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 16.

Graphene research and applications참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 마법 각도 근처에서 비틀어진 이중층 그래핀에서 약 ~0.1%의 약한 이축 응력이 강하게 증폭된 베리 곡률 듀폴을 유도함으로써 기존에 알려진 어떤 물질보다도 두 개 이상의 주기만큼 큰 비선형 홀 효과를 유도함을 보여준다. 이 효과는 처음으로 마법 각도 근처의 평탄한 모리 패턴에서 발생하며, 응력과 h-BN 기초에 의한 대칭성 파괴에 매우 민감한 특성 덕분이다.

ABSTRACT

Recent studies have shown that moiré flat bands in a twisted bilayer graphene(TBG) can acquire nontrivial Berry curvatures when aligned with hexagonal boron nitride substrate [1, 2], which can be manifested as a correlated Chern insulator near the 3/4 filling [3, 4]. In this work, we show that the large Berry curvatures in the moiré bands lead to strong nonlinear Hall(NLH) effect in a strained TBG with general filling factors. Under a weak uniaxial strain $\sim 0.1\%$, the Berry curvature dipole which characterizes the nonlinear Hall response can be as large as $\sim$ 200Å, exceeding the values of all previously known nonlinear Hall materials [5-14] by two orders of magnitude. The dependence of the giant NLH effect as a function of electric gating, strain and twist angle is further investigated systematically. Importantly, we point out that the giant NLH effect appears generically for twist angle near the magic angle due to the strong susceptibility of nearly flat moiré bands to symmetry breaking induced by strains. Our results establish TBG as a practical platform for tunable NLH effect and novel transport phenomena driven by nontrivial Berry phases.

연구 동기 및 목표

• 마법 각도 근처에서 응력이 가해진 비틀어진 이중층 그래핀(TBG)에서 비선형 홀 효과의 발생을 조사한다.
• 응력에 의한 대칭성 파괴가 평탄한 모리 패턴에서 베리 곡률 듀폴을 어떻게 강화하는지 이해한다.
• TBG가 강한 비선형 홀 반응과 베리 듀폴 기반의 전류 운반 현상에 대해 조절 가능한 플랫폼으로서 기능할 수 있음을 확립한다.
• 비선형 홀 효과가 응력, 게이트 전압, 비틀기 각도에 따라 어떻게 변화하는지 탐구한다.
• 강한 상관 효과 없이도 다양한 충전율에서 이 효과가 일반적으로 나타나는지 확인한다.

제안 방법

• 각 층에 무질량 디락 페르미온을 포함하고 상호작용 및 응력에 의한 게이지 전위를 반영한 TBG의 연속체 모델을 사용한다.
• 밸리 의존 항과 응력에 의한 외란을 포함한 저에너지 효과 해밀토니안을 사용하여 대칭성 파괴를 모델링한다.
• 비선형 홀 운반 현상에 대해 쿠보 공식과 선형 반응 이론을 사용하여 베리 곡률과 베리 곡률 듀폴을 계산한다.
• 비틀기 각도, 응력 크기, 패피 에너지를 체계적으로 변화시켜 비선형 홀 반응의 의존도를 매핑한다.
• h-BN 기초에 의한 3중 대칭성(C₃) 파괴의 역할과 응력 간의 상호작용이 베리 듀폴을 어떻게 강화하는지 분석한다.
• 특히 밴드 가장자리 근처의 비상관 상태에서 이 효과가 얼마나 견고한지 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 이축 응력이 마법 각도 근처에서 비틀어진 이중층 그래핀에서 기하급수적인 비선형 홀 효과를 유도할 수 있는가?
• RQ2 응력이 가해진 TBG에서 강화된 베리 곡률 듀폴의 근본 원인은 무엇이며, 비틀기 각도와 응력에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 응력 존재 하에서 게이트 전압과 패피 에너지가 비선형 홀 반응에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 기하급수적인 비선형 홀 효과는 다양한 충전율에서 견고한가, 특히 정수 충전율에서 벗어난 영역에서도 마찬가지인가?
• RQ5 마법 각도 근처의 평탄한 모리 패턴이 응력에 의한 대칭성 파괴에 얼마나 민감하게 반응하는가?

주요 결과

• 약 ~0.1%의 이축 응력에서 비틀어진 이중층 그래핀에서 기하급수적인 비선형 홀 효과가 나타나며, 이때 베리 곡률 듀폴은 약 ~200 Å에 도달한다.
• 이 값은 이전에 연구된 모든 물질의 비선형 홀 반응보다 두 개 이상의 주기만큼 높다.
• 이 효과는 비틀기 각도가 약 1.0°에서 1.3° 사이일 때 일반적으로 나타나며, 첫 번째 마법 각도(θₘ ≈ 1.1°) 근처에 중심을 두고 있다.
• 이 효과는 밴드 가장자리 근처에서 가장 강하며, 거의 평탄한 모리 패턴이 응력에 의한 C₃ 대칭성 파괴에 매우 민감하기 때문이다.
• 응력, 게이트 전압, 비틀기 각도를 통해 비선형 홀 반응을 조절할 수 있어 베리 듀폴을 실험적으로 제어할 수 있다.
• 이 효과는 특히 상관 효과가 없는 상태에서의 낮은 충전율 영역까지도 유지되며, 이는 페르미 액체 기반의 비선형 홀 이론을 검증한다.