[논문 리뷰] Giant nonlinear Hall effect in twisted WSe$_2$

Meizhen Huang, Zefei Wu외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 10.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 26인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 비틀어진 WSe₂ 이중층에서 첫 번째 모리 밴드의 반층우근 근처의 모리 평탄 밴드에 도달하도록 페르미 수준을 조절함으로써 거대한 비선형 홀 효과(NHE)를 입증한다. 이는 이전 실험들보다 최소 두 배수 이상 높은 생성 효율을 달성한다. 이 효과는 저항 측정을 통해 확인된 질량 발산 연속 Mott 전이에 기인하며, 전자 상호작용과 베리 곡률 두류 사이의 연결 고리를 제시한다.

ABSTRACT

The recently discovered nonlinear Hall effect (NHE) in a few non-interacting systems provides a novel mechanism to generate second harmonic electrical Hall signals under time-reversal-symmetric conditions. Here, we introduce a new approach to engineering NHE by using twisted moiré structures. We find that the twisted WSe$_2$ bilayer exhibits a NHE when tuning the Fermi level to the moiré flat bands. Near half-filling of the first moiré band, the nonlinear Hall signal shows a sharp peak with the generation efficiency at least two orders of magnitude larger than those in previous experiments. We propose that the giant NHE and diverging generation efficiency originate from a mass-diverging type continuous Mott transition, which is evidenced by resistivity measurements. This work demonstrates not only how interaction effects can couple to Berry curvature dipoles to produce novel quantum phenomena, but also what NHE measurements can provide for developing a new tool to study the quantum criticality.

연구 동기 및 목표

• 비틀어진 WSe₂ 이중층에서 전자 상호작용이 비선형 홀 효과를 어떻게 향상시킬 수 있는지 탐구하기.
• 시간역전대칭 조건 하에서 모리 평탄 밴드가 큰 비선형 홀 신호를 어떻게 생성하는지 조사하기.
• 관측된 비선형 홀 반응을 연속 Mott 전이를 통해 양자 임계 현상과 연결하기.
• NHE를 상호작용하는 모리 시스템에서의 양자 임계 현상 연구를 위한 탐사도구로 정립하기.

제안 방법

• 제어된 비틀기 각도를 가진 비틀어진 WSe₂ 이중층 헤테로구조의 제작 및 특성 분석.
• 백게이팅을 통한 페르미 수준 조절로 첫 번째 모리 밴드의 반층우근 근처의 모리 평탄 밴드에 접근하기.
• 시간역전대칭 조건 하에서 비선형 홀 전압 측정을 통해 제2고조파 홀 신호 추출하기.
• 임계점 근처에서 연속 Mott 전이의 징후를 식별하기 위해 저항도 데이터 분석하기.
• 비선형 홀 반응의 증폭을 설명하기 위해 베리 곡률 두류 이론 사용하기.
• 이전 실험 결과와의 비교를 통해 NHE 효율을 정량화하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모리 평탄 밴드 영역 근처에서 비틀어진 WSe₂의 비선형 홀 효과의 크기는 얼마인가?
• RQ2 모리 평탄 밴드 내 전자 상호작용은 비선형 홀 반응에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 비선형 홀 효과는 상호작용하는 2차원 시스템에서 양자 임계 현상의 탐사도구로 기능할 수 있는가?
• RQ4 전자 구조와 위상학적 특성 측면에서 관측된 거대한 비선형 홀 신호의 기원은 무엇인가?
• RQ5 비틀어진 WSe₂에서의 비선형 홀 효율은 비상호작용 또는 약한 상호작용을 보이는 다른 시스템과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 비틀어진 WSe₂에서 비선형 홀 신호는 첫 번째 모리 밴드의 반층우근 근처에서 날카운 피크를 보이며, 이 효과의 강한 증폭을 나타낸다.
• 비선형 홀 효과의 생성 효율은 이전 실험 시스템보다 최소 두 배수 이상 높다.
• 저항 측정 결과는 비선형 홀 반응 피크 근처에서 질량 발산 연속 Mott 전이의 증거를 제공한다.
• 거대한 비선형 홀 효과는 모리 밴드 구조 내 전자 상호작용과 베리 곡률 두류의 상호작용에 기인한다.
• 결과는 비선형 홀 측정이 상호작용하는 모리 재료에서의 양자 임계 현상 탐사에 민감한 탐사도구가 될 수 있음을 시사한다.
• 본 연구는 모리 헤테로구조를 통한 강한 상호작용 양자 현상의 공학 및 연구를 위한 새로운 플랫폼을 구축한다.