[论文解读] Giant nonlinear Hall effect in strained twisted bilayer graphene

Cheng-Ping Zhang, Jiewen Xiao+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Graphene research and applications参考文献 1被引用 10

一句话总结

该论文表明，在接近魔角的扭曲双层石墨烯中，微弱的单轴应变（~0.1%）可因强烈增强的贝里曲率偶极矩而诱导出巨大的非线性霍尔效应，其值可达~200 Å——比任何已知材料的响应高出两个数量级以上。该效应在首次魔角附近的平坦莫尔能带中普遍存在，源于对来自应变和六方氮化硼（h-BN）衬底的对称性破缺的高度敏感性。

ABSTRACT

Recent studies have shown that moiré flat bands in a twisted bilayer graphene(TBG) can acquire nontrivial Berry curvatures when aligned with hexagonal boron nitride substrate [1, 2], which can be manifested as a correlated Chern insulator near the 3/4 filling [3, 4]. In this work, we show that the large Berry curvatures in the moiré bands lead to strong nonlinear Hall(NLH) effect in a strained TBG with general filling factors. Under a weak uniaxial strain $\sim 0.1\%$, the Berry curvature dipole which characterizes the nonlinear Hall response can be as large as $\sim$ 200Å, exceeding the values of all previously known nonlinear Hall materials [5-14] by two orders of magnitude. The dependence of the giant NLH effect as a function of electric gating, strain and twist angle is further investigated systematically. Importantly, we point out that the giant NLH effect appears generically for twist angle near the magic angle due to the strong susceptibility of nearly flat moiré bands to symmetry breaking induced by strains. Our results establish TBG as a practical platform for tunable NLH effect and novel transport phenomena driven by nontrivial Berry phases.

研究动机与目标

• 研究在魔角附近应变扭曲双层石墨烯（TBG）中非线性霍尔效应的出现机制。
• 理解应变诱导的对称性破缺如何增强平坦莫尔能带中的贝里曲率偶极矩。
• 确立TBG作为强非线性霍尔响应及贝里偶极矩驱动输运现象的可调平台。
• 探索非线性霍尔效应在应变、栅压和扭转角变化下的依赖关系。
• 证明该效应在各种填充因子下的普适性，且独立于强关联效应。

提出的方法

• 采用包含每层质量零狄拉克费米子、层间跃迁及应变诱导规范势的连续模型描述TBG。
• 使用包含谷依赖项和应变诱导微扰的低能有效哈密顿量，以模拟对称性破缺。
• 通过Kubo公式和线性响应理论计算贝里曲率与贝里曲率偶极矩，以描述非线性霍尔输运。
• 系统性地改变扭转角、应变大小和费米能，以绘制非线性霍尔响应的依赖关系。
• 分析h-BN衬底引起的三重对称性（C₃）破缺及其与应变的相互作用在增强贝里偶极矩中的作用。
• 验证该效应在不同填充因子下的鲁棒性，尤其在能带边缘附近的非关联区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 微弱的单轴应变是否可在接近魔角的扭曲双层石墨烯中诱导出巨大的非线性霍尔效应？
• RQ2 应变TBG中增强的贝里曲率偶极矩的起源是什么？其与扭转角和应变的关系如何？
• RQ3 在存在应变的情况下，非线性霍尔响应如何随栅压和费米能变化？
• RQ4 该巨大非线性霍尔效应在不同填充因子下是否具有鲁棒性，尤其是在远离整数填充的情况？
• RQ5 在魔角附近，莫尔能带的平坦性在多大程度上放大了对由应变引起的对称性破缺的响应？

主要发现

• 在约0.1%单轴应变下，应变扭曲双层石墨烯中出现巨大的非线性霍尔效应，其贝里曲率偶极矩可达~200 Å。
• 该值比所有先前研究过的材料的非线性霍尔响应高出两个多数量级。
• 该巨大贝里曲率偶极矩在扭转角θ ≈ 1.0°至1.3°范围内普遍存在，中心位于首次魔角（θₘ ≈ 1.1°）附近。
• 该效应在能带边缘最强，其根源在于近似平坦的莫尔能带对由应变引起的C₃对称性破缺具有高度敏感性。
• 非线性霍尔响应可通过应变、栅压和扭转角进行调控，从而实现对贝里偶极矩的实验控制。
• 该效应在一般填充因子下依然存在，包括远离关联绝缘态的低填充区域，验证了基于费米液体的非线性霍尔理论。