[논문 리뷰] Nonlinear Hall Effects in Strained Twisted Bilayer WSe$_2$

Jin-Xin Hu, Cheng-Ping Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 29.

2D Materials and Applications참고 문헌 28인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 비틀어진 이중층 WSe₂에서 축방향 압축이 위상적으로 비비례하지 않는 평탄한 밴드에서 비제로인 베리 곡률 듀폴을 유도함으로써 큰 비선형 홀(NLH) 반응을 유도한다고 제안한다. NLH 신호는 수직 이완장에 의해 조절되는 위상 전이 근처에서 크게 증폭되며 전이를 기준으로 부호가 바뀌므로 NLH는 위상적 성질을 탐지하고, 모리 재료에서 조절 가능한 정류 및 제2차 고조파 발생을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Recently, it has been pointed out that the twisting of bilayer WSe$_2$ would generate topologically non-trivial flat bands near the Fermi energy. In this work, we show that twisted bilayer WSe$_2$ (tWSe$_2$) with uniaxial strain exhibits a large nonlinear Hall (NLH) response due to the non-trivial Berry curvatures of the flat bands. Moreover, the NLH effect is greatly enhanced near the topological phase transition point which can be tuned by a vertical displacement field. Importantly, the nonlinear Hall signal changes sign across the topological phase transition point and provides a way to identify the topological phase transition and probe the topological properties of the flat bands. The strong enhancement and high tunability of the NLH effect near the topological phase transition point renders tWSe$_2$ and related moire materials new platforms for rectification and second harmonic generations.

연구 동기 및 목표

• 비틀어진 이중층 WSe₂에서 축방향 압축이 3중 회전 대칭성을 어떻게 깨뜨리는지 조사하여 비제로인 베리 곡률 듀폴을 가능하게 한다.
• 압축된 tWSe₂에서 평탄한 밴드의 비자명한 베리 곡률 덕분에 비선형 홀(NLH) 효과가 크고 조절 가능해지는 것을 보여준다.
• 수직 이완장에 의해 유도된 위상 전이를 기준으로 NLH 반응이 부호를 바꾸며, 이는 위상 밴드 성질을 탐지하는 데 도구가 된다.
• 압축된 tWSe₂가 높은 조절성과 강한 NLH 반응 덕분에 향상된 제2차 고조파 발생과 정류의 플랫폼으로서 확립된다.

제안 방법

• 연속체 모델을 사용하여 압축된 tWSe₂ 시스템을 기술하며, C3z 대칭성을 깨는 바닥층의 축방향 압축을 포함한다.
• 해밀토니안은 바닥층과 상층의 밴드에 따라 다를 수 있는 밴드를 포함하며, 압축에 의해 유도된 잠재 에너지 조절과 수직 이완장을 포함한다.
• 베리 곡률 듀폴은 볼츠만 접근을 사용하여 모리 브릴루앙 존과 두 밴드를 모두 통합하여 계산한다.
• 비선형 홀 감도는 베리 곡률 듀폴에서 유도되며, 듀폴은 피에르 속도와 베리 곡률을 포함하는 운동량 공간에서의 적분으로 정의된다.
• 베리 곡률에서 유도된 크리스털 수를 계산하여 밴드의 위상적 특성을 확인한다.
• 수치 계산을 통해 압축과 이완장에 따른 베리 곡률 듀폴과 NLH 반응을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀어진 이중층 WSe₂에서 원래의 C3z 대칭성에도 불구하고 축방향 압축이 비제로인 베리 곡률 듀폴을 어떻게 유도하는가?
• RQ2 압축된 tWSe₂에서 비선형 홀 반응의 크기와 조절 가능성은 어떻게 되며, 이는 이완장에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 비선형 홀 효과가 모리 재료에서 위상 전이를 탐지하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 왜 tWSe₂에서 위상 전이 지점 근처에서 비선형 홀 신호가 크게 증폭되는가?
• RQ5 반도체 밴드의 반층 채움 근처에서의 전자-전자 상호작용과 대칭성 깨짐 상태는 비선형 홀 반응에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• tWSe₂에서 축방향 압축은 C3z 대칭성을 깨며, 이로 인해 유한한 베리 곡률 듀폴이 가능해지고, 결과적으로 큰 비선형 홀 반응이 발생한다.
• 비선형 홀 신호는 상위 두 개의 가역 밴드가 접촉하고 베리 곡률를 교환하는 위상 전이 지점 근처에서 크게 증폭된다.
• 베리 곡률 듀폴은 위상 전이를 기준으로 부호를 바꾸며, 이러한 전이를 식별하는 명확한 서명을 제공한다.
• 압축 조건에서 비선형 홀 반응의 크기는 약 0.2–1 Å 정도에 도달하여 전통적 재료보다 상당한 증폭을 나타낸다.
• 채움과 이완장에 따른 비선형 홀 반응은 네 개의 날개를 가진 '버터플라이' 형태의 구조를 보이며, 이는 위상 전이를 반영한다.
• 결과는 압축된 tWSe₂와 관련된 모리 재료가 높은 조절성과 강한 비선형 반응 덕분에 정류 및 제2차 고조파 발생에 유망한 플랫폼임을 시사한다.