[论文解读] Intrinsic nonlinear Hall effect and gate-switchable Berry curvature sliding in twisted bilayer graphene

Meizhen Huang, Zefei Wu+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2022

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本研究展示了在高质量扭曲双层石墨烯中，由贝里曲率偶极子驱动的本征非线性霍尔效应，通过位移场诱导的贝里曲率热点滑动，实现了对非线性霍尔响应的栅压可调控制。结果证实了本征拓扑在非线性输运中主导于非本征 disorder 的作用，并确立了扭曲双层石墨烯作为可调谐非线性霍尔效应与二次谐波生成的平台。

ABSTRACT

Though the observation of the quantum anomalous Hall effect and nonlocal transport response reveals nontrivial band topology governed by the Berry curvature in twisted bilayer graphene, some recent works reported nonlinear Hall signals in graphene superlattices that are caused by the extrinsic disorder scattering rather than the intrinsic Berry curvature dipole moment. In this work, we report a Berry curvature dipole induced intrinsic nonlinear Hall effect in high-quality twisted bilayer graphene devices. We also find that the application of the displacement field substantially changes the direction and amplitude of the nonlinear Hall voltages, as a result of a field-induced sliding of the Berry curvature hotspots. Our work not only proves that the Berry curvature dipole could play a dominant role in generating the intrinsic nonlinear Hall signal in graphene superlattices with low disorder densities, but also demonstrates twisted bilayer graphene to be a sensitive and fine-tunable platform for second harmonic generation and rectification.

研究动机与目标

• 区分石墨烯超晶格中非线性霍尔响应的本征贝里曲率偶极子贡献与非本征 disorder 效应。
• 研究能带拓扑在生成高质量扭曲双层石墨烯器件中非线性霍尔信号中的作用。
• 探索通过外部电场在扭曲双层石墨烯中调控非线性霍尔效应的可行性。
• 展示通过栅压动态调控扭曲双层石墨烯中贝里曲率分布。
• 确立扭曲双层石墨烯作为栅压可切换的二次谐波生成与整流效应平台。

提出的方法

• 测量机械剥离的扭曲双层石墨烯器件中低 disorder 密度下的非线性霍尔电压。
• 施加垂直位移场以调控能带结构与贝里曲率分布。
• 利用输运测量提取非线性霍尔电导及其场依赖性。
• 分析贝里曲率偶极矩作为本征非线性霍尔效应的起源。
• 观察到非线性霍尔电压在栅压作用下的方向与幅值调制，表明贝里曲率热点发生滑动。
• 将实验结果与拓扑体系中本征非线性响应的理论模型进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 本征贝里曲率偶极子是否能在高质量扭曲双层石墨烯中主导非线性霍尔效应，且独立于 disorder？
• RQ2 位移场如何改变扭曲双层石墨烯中贝里曲率的空间分布与强度？
• RQ3 通过栅压在多大程度上可调节非线性霍尔电压的幅值与方向？
• RQ4 贝里曲率热点滑动在调制非线性霍尔响应中起何种作用？
• RQ5 扭曲双层石墨烯能否作为栅压可切换的二次谐波生成与整流效应平台？

主要发现

• 扭曲双层石墨烯中的本征非线性霍尔效应主要由贝里曲率偶极子主导，而非非本征 disorder 散射。
• 施加位移场可诱导可观测的贝里曲率热点滑动，从而改变非线性霍尔电压的方向与幅值。
• 非线性霍尔电压表现出强烈的栅压可调性，在不同位移场下可观测到符号与幅值的可逆切换。
• 观测到的非线性霍尔响应与拓扑体系中贝里曲率偶极子驱动输运的理论预测一致。
• 该体系展示了栅压可切换的二次谐波生成与整流效应，凸显其在非线性纳米电子学中的潜力。
• 结果证实，高质量扭曲双层石墨烯可支持由本征拓扑驱动的稳健、可调谐非线性响应。