[论文解读] Non-linear Nernst effect in bilayer WTe$_2$

Chuanchang Zeng, Snehasish Nandy+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2019

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 6

一句话总结

本文提出双层WTe₂中的非线性异常Nernst效应（NLANE）是一种由贝里曲率偶极矩（BCD）驱动的二阶热电响应，存在于时间反演对称但空间反演破缺的体系中。通过半经典玻尔兹曼输运理论，证明了NLANE可在无外加磁场下产生垂直于温度梯度的横向电压，且该效应可通过自旋-轨道耦合调控，并表现出明显的角度依赖性和化学势依赖性，为外尔半金属中的实验可检验特征提供了依据。

ABSTRACT

Unlike the conventional (linear) anomalous Nernst effect, the non-linear anomalous Nernst effect (NLANE) can survive in an inversion symmetry broken system even in the presence of time-reversal symmetry. Using semiclassical Boltzmann transport theory, we derive the general expression of the non-linear anomalous Nernst coefficient as the second-order response function to the applied temperature gradient. We find that the non-linear Nernst current, which flows perpendicular to the temperature gradient even in the absence of a magnetic field, arises due to the Berry curvature of the states near the Fermi surface, and thus is associated with purely a Fermi surface contribution. We apply these results to bilayer WTe$_2$, which is an inversion broken but time reversal symmetric type-II Weyl semimetal supporting chiral Weyl fermions. By tuning the spin-orbit coupling, we show that the sign of the NLANE can change in this system. Together with the angular dependence, we calculate the temperature and chemical potential dependencies of NLANE in bilayer WTe$_2$, and predict specific experimental signatures that can be checked in experiments.

研究动机与目标

• 研究双层WTe₂中非线性异常Nernst效应（NLANE）作为对温度梯度的二阶响应。
• 基于半经典玻尔兹曼输运理论，建立时间反演不变但空间反演对称性破缺体系中NLANE的理论框架。
• 阐明贝里曲率偶极矩（BCD）作为横向NLANE电流起源的作用。
• 预测NLANE的实验可观测量特征，包括角度依赖性、温度、化学势及自旋-轨道耦合依赖性。
• 在参数空间中绘制NLANE系数，揭示其符号变化及通过外部控制参数实现的可调性。

提出的方法

• 采用半经典玻尔兹曼输运理论，推导作为温度梯度响应的二阶NLANE电流。
• 将赝张量型NLANE系数 $\Lambda^{T}_{a}$ 识别为关键物理量，其类比于非线性霍尔效应中的贝里曲率偶极矩。
• 利用对称性分析表明，在双层WTe₂中，仅有一个非零分量 $\Lambda^{T}_{a}$ 存在，且垂直于镜面对称面。
• 通过函数 $f_1(n_0, n_1, \theta)$ 推导NLANE电压的角度依赖性，其中时间反演对称性下 $n_1=0$。
• 计算NLANE系数随化学势 $E_F$、自旋-轨道耦合 $\eta$、倾斜参数 $t_x$ 及层间耦合 $\gamma$ 的变化。
• 在 $(E_F, \eta)$、$(E_F, t_x)$ 和 $(E_F, \gamma)$ 参数空间中绘制NLANE系数，揭示其可调性与符号变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在时间反演对称但空间反演破缺的体系中，非线性异常Nernst效应（NLANE）是否能够存在？
• RQ2 双层WTe₂中NLANE的微观起源是什么？其与贝里曲率偶极矩（BCD）有何关系？
• RQ3 当温度梯度方向相对于晶轴取向变化时，NLANE电压的角度依赖性如何变化？
• RQ4 NLANE系数在双层WTe₂中对温度、化学势、自旋-轨道耦合及层间耦合的依赖关系如何？
• RQ5 通过调节自旋-轨道耦合或其他参数，NLANE系数是否可发生符号变化？这些符号变化在参数空间中的位置在哪里？

主要发现

• 即使在无时间反演对称性破缺的情况下，非线性Nernst电流仍完全源于费米面贡献的贝里曲率偶极矩（BCD）。
• NLANE系数 $\Lambda^{T}_{a}$ 非零且垂直于温度梯度方向，由于时间反演对称性，不存在线性Nernst响应。
• 当各向异性比 $n_0$ 偏离单位值时，NLANE电压的角度依赖性偏离简单的 $\sin\theta$ 行为，低各向异性下呈现双峰结构。
• 在 $(E_F, \eta)$ 参数空间中，通过调节自旋-轨道耦合，预测在两个节点之间发生NLANE系数的符号变化，表明存在拓扑相变。
• NLANE系数对化学势表现出强依赖性，在模型的狄拉克点附近呈现显著特征。
• 可通过栅压调控各向异性，实验探测NLANE，从而为双层WTe₂中BCD的存在提供直接实验证据。