[论文解读] Nonlinear Hall Effects in Strained Twisted Bilayer WSe$_2$

Jin-Xin Hu, Cheng-Ping Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2020

2D Materials and Applications参考文献 28被引用 9

一句话总结

本文提出，在扭曲双层WSe₂中，由于拓扑非平庸的平坦能带中存在非零贝里曲率偶极矩，单轴应变可诱导出大的非线性霍尔（NLH）响应。当通过垂直位移场调控至拓扑相变点附近时，NLH信号显著增强，并在相变点两侧改变符号，从而使得NLH可用于探测拓扑性质，并在莫尔材料中实现可调谐整流与二次谐波产生。

ABSTRACT

Recently, it has been pointed out that the twisting of bilayer WSe$_2$ would generate topologically non-trivial flat bands near the Fermi energy. In this work, we show that twisted bilayer WSe$_2$ (tWSe$_2$) with uniaxial strain exhibits a large nonlinear Hall (NLH) response due to the non-trivial Berry curvatures of the flat bands. Moreover, the NLH effect is greatly enhanced near the topological phase transition point which can be tuned by a vertical displacement field. Importantly, the nonlinear Hall signal changes sign across the topological phase transition point and provides a way to identify the topological phase transition and probe the topological properties of the flat bands. The strong enhancement and high tunability of the NLH effect near the topological phase transition point renders tWSe$_2$ and related moire materials new platforms for rectification and second harmonic generations.

研究动机与目标

• 研究单轴应变如何在扭曲双层WSe₂中破坏三重旋转对称性，从而产生非零贝里曲率偶极矩。
• 证明由于平坦能带中存在非平凡的贝里曲率，应变tWSe₂中的非线性霍尔（NLH）效应变得显著且可调。
• 表明在垂直位移场诱导的拓扑相变中，NLH响应在相变点两侧改变符号，从而可作为探测拓扑能带性质的探针。
• 确立应变tWSe₂作为增强二次谐波产生与整流效应的平台，因其具有高可调性与强NLH响应。

提出的方法

• 采用连续模型描述应变tWSe₂系统，其中底层的单轴应变破坏了C3z对称性。
• 哈密顿量包含底部与顶部层的谷依赖项，以及应变引起的势能调制和垂直位移场。
• 利用玻尔兹曼方法计算贝里曲率偶极矩，积分范围为莫尔布里渊区及两个谷。
• 从贝里曲率偶极矩推导出非线性霍尔磁化率，其中偶极矩被定义为动量空间中的积分，涉及费米速度与贝里曲率。
• 通过贝里曲率积分计算陈数，以确认能带的拓扑特性。
• 进行数值计算，评估贝里曲率偶极矩与NLH响应随应变和位移场的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在原始具有C3z对称性的前提下，扭曲双层WSe₂中的单轴应变如何产生非零贝里曲率偶极矩？
• RQ2 应变tWSe₂中的非线性霍尔响应的大小与可调性如何？其与位移场的关系是什么？
• RQ3 非线性霍尔效应能否作为莫尔材料中拓扑相变的探测工具？
• RQ4 为何在tWSe₂中，非线性霍尔信号在拓扑相变点附近显著增强？
• RQ5 电子-电子相互作用及半满附近对称性破缺态如何影响非线性霍尔响应？

主要发现

• tWSe₂中的单轴应变破坏了C3z对称性，从而产生有限的贝里曲率偶极矩，导致显著的非线性霍尔响应。
• 非线性霍尔信号在拓扑相变点附近显著增强，此时顶部两个价带相交并交换贝里曲率。
• 贝里曲率偶极矩在拓扑相变点两侧改变符号，为识别此类相变提供了清晰信号。
• 在应变作用下，非线性霍尔响应的幅值可达约0.2–1 Å，表明其相比传统材料有显著增强。
• NLH响应在填充因子与位移场的关系图中呈现出四翼“蝴蝶”结构，反映了拓扑相变的特征。
• 结果表明，应变tWSe₂及相关莫尔材料是实现整流与二次谐波产生的理想平台，因其具有高可调性与强非线性响应。