[논문 리뷰] Strong Room-Temperature Bulk Nonlinear Hall Effect in a Spin-Valley Locked Dirac Material

Lujin Min, Hengxin Tan외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 12.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 스핀-밸리 락드 디랙 물질인 BaMnSb2에서 실온에서 강력하고 내재된 부피 비선형 홀 효과(NLHE)를 입증한다. 이 효과는 縦방향 전류 흐름에 의해 베리 기울기 듀플렛이 생성되면서 발생하며, 전류의 제곱에 비례하는 큰 횡방향 홀 전압을 유도하여 무선 마이크로파 탐지 및 주파수 제곱화에 실용적인 응용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Nonlinear Hall effect (NLHE) is a new type of Hall effect with wide application prospects. Practical device applications require strong NLHE at room temperature (RT). However, previously reported NLHEs are all low-temperature phenomena except for the surface NLHE of TaIrTe4. Bulk RT NLHE is highly desired due to its ability to generate large photocurrent. Here, we show the spin-valley locked Dirac state in BaMnSb2 can generate a strong bulk NLHE at RT. In the microscale devices, we observe the typical signature of an intrinsic NLHE, i.e. the transverse Hall voltage quadratically scales with the longitudinal current as the current is applied to the Berry curvature dipole direction. Furthermore, we also demonstrate our nonlinear Hall device's functionality in wireless microwave detection and frequency doubling. These findings broaden the coupled spin and valley physics from 2D systems into a 3D system and lay a foundation for exploring bulk NLHE's applications.

연구 동기 및 목표

• 3D 디랙 물질에서 실온에서 강력하고 내재된 부피 비선형 홀 효과(NLHE)를 입증하는 것.
• 스핀-밸리 락킹이 부피 시스템에서 강력한 비선형 홀 반응을 유도하는 데 기여하는 방식을 탐구하는 것.
• 고온 작동과 큰 신호 출력을 달성하여 NLHE의 실용적 장치 응용을 가능하게 하는 것.
• 스핀과 밸리 자유도의 결합된 물리학을 2D 시스템에서 3D 시스템으로 확장하는 것.
• 무선 마이크로파 탐지 및 주파수 제곱화와 같은 실제 응용 분야에서 NLHE 장치의 功能을 검증하는 것.

제안 방법

• 비선형 홀 전도를 탐사하기 위해 단일결정 BaMnSb2에서 마이크로스케일 장치를 제작하였다.
• 베리 기울기 듀플렛의 방향에 따라 종방향 전류를 인가하여 횡방향 홀 전압을 유도하였다.
• 비선형 홀 전압을 종방향 전류의 함수로 측정하여 제곱 스케일링 행동을 확인하였다.
• 각도에 의존하는 전도 측정을 통해 베리 기울기 효과를 통한 NLHE의 내재성 확인하였다.
• 비선형 홀 신호를 사용하여 무선 마이크로파 탐지 및 주파수 제곱화 기능을 구현한 장치의 기능성을 입증하였다.
• 관측된 NLHE를 BaMnSb2의 스핀-밸리 락드 디랙 상태와 연결하기 위해 이론적 모델링을 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 디랙 물질에서 실온에서 강력하고 내재된 부피 비선형 홀 효과를 실현할 수 있는가?
• RQ2 BaMnSb2의 스핀-밸리 락킹은 큰 비선형 홀 반응을 유도하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ3 적용된 종방향 전류에 대해 비선형 홀 전압의 스케일링 행동은 어떠한가?
• RQ4 부피 비선형 홀 효과는 마이크로파 탐지와 같은 실용적 장치 응용에 활용될 수 있는가?
• RQ5 BaMnSb2의 비선형 홀 효과는 어느 정도 내재된 베리 기울기 듀플렛 효과에서 기인하는가?

주요 결과

• 실온에서 BaMnSb2에서 강력하고 내재된 부피 비선형 홀 효과가 관측되었으며, 횡방향 홀 전압은 종방향 전류의 제곱에 비례하여 스케일링되었다.
• BaMnSb2의 비선형 홀 반응은 3D 디랙 상태에서 스핀-밸리 락킹에 의해 유도된 베리 기울기 듀플렛 때문인 것으로 기인된다.
• 실온에서 작동하는 동안도 측정 가능한 비선형 홀 전압을 나타내어 실용 온도에서의 부피 NLHE의 실현 가능성을 확인하였다.
• 비선형 홀 장치는 무선 마이크로파 신호를 성공적으로 탐지하고 주파수 제곱화 기능을 입증하였다.
• 각도 의존성 측정과 대칭성 분석을 통해 관측된 NLHE는 강건하고 내재적임을 확인하였다.
• 결과적으로 BaMnSb2는 에너지 효율적인 전자소자 및 광학 장치 응용을 위한 부피 비선형 전도의 탐색에 유망한 플랫폼으로 확립되었다.