[논문 리뷰] Intrinsic nonlinear Hall effect and gate-switchable Berry curvature sliding in twisted bilayer graphene

Meizhen Huang, Zefei Wu외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 24.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이산화물 전위에 의해 비취된 베리 곡률 핫스팟의 슬라이딩을 유도하는 베리 곡률 두류에 의해 유도된 고품질의 비선형 이중층 그래핀에서 내재된 비선형 헬 효과를 입증한다. 게이트 전압 조절을 통해 비선형 헬 응답을 제어할 수 있으며, 이는 비선형 운반체에서 내재된 위상학적 특성이 외재된 불순물에 비해 지배적임을 확인한다. 이 결과는 비선형 헬 효과와 제2차 고조파 발생을 위한 조절 가능한 플랫폼으로서 비틀린 이중층 그래핀의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

Though the observation of the quantum anomalous Hall effect and nonlocal transport response reveals nontrivial band topology governed by the Berry curvature in twisted bilayer graphene, some recent works reported nonlinear Hall signals in graphene superlattices that are caused by the extrinsic disorder scattering rather than the intrinsic Berry curvature dipole moment. In this work, we report a Berry curvature dipole induced intrinsic nonlinear Hall effect in high-quality twisted bilayer graphene devices. We also find that the application of the displacement field substantially changes the direction and amplitude of the nonlinear Hall voltages, as a result of a field-induced sliding of the Berry curvature hotspots. Our work not only proves that the Berry curvature dipole could play a dominant role in generating the intrinsic nonlinear Hall signal in graphene superlattices with low disorder densities, but also demonstrates twisted bilayer graphene to be a sensitive and fine-tunable platform for second harmonic generation and rectification.

연구 동기 및 목표

• 그래핀 수반격자에서 비선형 헬 응답의 내재된 베리 곡률 두류 기여와 외재된 불순물 효과를 구분하는 것.
• 고품질의 비틀린 이중층 그래핀 장치에서 밴드 위상학이 비선형 헬 신호를 어떻게 생성하는지 조사하는 것.
• 비틀린 이중층 그래핀에서 외부 전기장에 의한 비선형 헬 효과의 조절 가능성 탐색.
• 게이트 전압을 통한 베리 곡률 분포의 동적 제어를 보여주는 것.
• 비틀린 이중층 그래핀을 제2차 고조파 발생과 정류 기능을 갖춘 게이트 스위치 가능한 플랫폼으로 구축하는 것.

제안 방법

• 저불순물 밀도를 가진 분리된 비틀린 이중층 그래핀 장치에서 비선형 헬 전압 측정.
• 수직 방향의 이산화물 전위를 적용하여 밴드 구조와 베리 곡률 분포를 조절하는 것.
• 운반 측정을 통해 비선형 헬 도전도 및 그 전기장 의존도를 추출하는 것.
• 내재된 비선형 헬 효과의 기원으로서의 베리 곡률 두류 모멘트 분석.
• 게이트 전압에 따른 비선형 헬 전압의 방향 및 진폭 조절 관측을 통해 베리 곡률 핫스팟 슬라이딩을 확인하는 것.
• 내재된 비선형 응답 이론 모델과 실험 결과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내재된 베리 곡률 두류가 고품질의 비틀린 이중층 그래핀에서 불순물에 의존하지 않고도 지배적인 비선형 헬 효과를 생성할 수 있는가?
• RQ2 이산화물 전위가 비틀린 이중층 그래핀에서 베리 곡률의 공간 분포와 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 게이트 전압을 사용하여 비선형 헬 전압의 크기와 방향을 어느 정도까지 조절할 수 있는가?
• RQ4 베리 곡률 핫스팟 슬라이딩이 비선형 헬 응답을 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 비틀린 이중층 그래핀이 제2차 고조파 발생과 정류 기능을 갖춘 게이트 스위치 가능한 플랫폼으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 비틀린 이중층 그래핀에서 내재된 비선형 헬 효과는 외재된 불순물 산산이 아닌, 베리 곡률 두류에 의해 지배된다.
• 이산화물 전위의 적용으로 베리 곡률 핫스팟의 측정 가능한 슬라이딩이 유도되어 비선형 헬 전압의 방향과 진폭이 변화한다.
• 비선형 헬 전압는 강력한 게이트 조절성을 보이며, 다양한 이산화물 전위에서 부호와 크기의 가역적 스위칭이 관측된다.
• 관측된 비선형 헬 응답은 위상학적 시스템에서 베리 곡률 두류에 의해 유도된 운반 이론 예측과 일치한다.
• 이 시스템은 게이트 스위치 가능한 제2차 고조파 발생과 정류 기능을 나타내며, 비선형 나노전자소자 잠재력이 높음을 시사한다.
• 결과적으로 고품질의 비틀린 이중층 그래핀가 내재된 위상학적 특성에 기반한 강력하고 조절 가능한 비선형 응답을 지닌다.