[논문 리뷰] Perspective: Nonlinear Hall Effects

Z. Z. Du, Hai‐Zhou Lu외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 23.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 관점 논문은 비선형 홀 효과를 검토한다—최근에 발견된 홀 현상으로, 시간역행 대칭성의 위반 없이 두 개의 종방향 전류에 반응하여 횡방향 전압을 생성한다. 이 현상은 대칭성과 위상학적 성질과 깊은 연관성을 가지며, 양자물질과 기대 위상학적 상을 탐색하는 데 새로운 분광학적 및 장치적 적용 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

The Hall effects comprise one of the oldest but most vital fields in condensed matter physics, and they persistently inspire new findings such as quantum Hall effects and topological phases of matter. The recently discovered nonlinear Hall effect is a new member of the family of Hall effects. It is characterised as a transverse Hall voltage in response to two longitudinal currents in the Hall measurement, but it does not require time-reversal symmetry to be broken. It has deep connections to symmetry and topology and thus opens new avenues via which to probe the spectral, symmetry and topological properties of emergent quantum materials and phases of matter. In this Perspective, we present an overview of the recent progress regarding the nonlinear Hall effect. After a review of the theories and recent experimental results, we discuss the problems that remain, the prospects of the use of the nonlinear Hall effect in spectroscopic and device applications, and generalisations to other nonlinear transport effects.

연구 동기 및 목표

• 비선형 홀 효과를 이해하는 데 있어 이론적 및 실험적 진전을 종합적으로 개관하는 것.
• 비선형 홀 효과의 이론적 및 실험적 연구에서 남아 있는 문제들과 과제를 규명하는 것.
• 비선형 홀 효과가 양자물질의 스펙트럼, 대칭성, 위상학적 성질을 탐색하는 분광학적 도구로서의 잠재력을 탐색하는 것.
• 비선형 홀 효과를 기반으로 한 장치 응용의 전망을 논의하는 것.
• 비선형 홀 효과의 프레임워크를 홀 효과를 초월한 다른 비선형 전송 현상으로 일반화하는 것.

제안 방법

• 베리 기울기와 대칭성에 의해 보호되는 비선형 반응에 기반한 비선형 홀 효과를 기술하는 이론적 프레임워크를 검토하는 것.
• 티타늄 디칼코젠화물과 와이울 세미메탈을 포함한 다양한 양자물질에서 비선형 홀 효과의 실험적 실현을 분석하는 것.
• 비선형 홀 효과를 가능하게 하는 반전 대칭의 위반과 비중심성 시스템의 역할을 검토하는 것.
• 군 이론과 위상학을 사용하여 결정 대칭성과 전자 밴드 구조에 기반한 비선형 홀 반응을 분류하는 것.
• 효과적 해밀토니안과 전송 방정식을 유도하고 적용하여 비선형 홀 전류를 베리 기울기 두뇌에 기반해 모델링하는 것.
• 비선형 홀 효과를 비선형 열전기 효과 및 비선형 자기저항 효과와 같은 다른 비선형 전송 현상과 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 홀 효과는 시간역행 대칭성 위반이 없는 시스템에서 어떻게 발생하는가?
• RQ2 베리 기울기와 위상학은 비선형 홀 반응을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 비선형 홀 효과는 어떻게 실험적으로 측정되고 선형 홀 효과와 어떻게 구별되는가?
• RQ4 강한 비선형 홀 효과를 나타내는 주요 물질 체계는 무엇인가?
• RQ5 비선형 홀 효과는 어떻게 다른 비선형 전송 현상으로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 비선형 홀 효과는 반전 대칭이 위반된 시스템에서 발생하며, 자기장이 없더라도 베리 기울기 두뇌에 의해 유도된다.
• 이 효과는 전자 밴드의 운동량 공간 기하학, 특히 베리 기울기 분포를 직접 탐측할 수 있는 수단을 제공한다.
• WTe2와 MoTe2와 같은 물질에서의 실험적 관측은 두 종방향 전류의 곱에 비례하는 비선형 홀 전압 존재를 확인한다.
• 일부 위상학적 물질에서 비선형 홀 반응은 양자화되어 있으며, 이는 위상학적 불변량 기원을 시사한다.
• 비선형 홀 효과는 양자물질의 운동량 공간 위상학을 매핑하는 데 새로운 분광학적 기법을 가능하게 한다.
• 이 효과는 비선형 반응 설계를 기반으로 한 저전력 전자 장치 설계의 새로운 길을 열어준다.