[论文解读] Perspective: Nonlinear Hall Effects

Z. Z. Du, Hai‐Zhou Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本文综述了非线性霍尔效应——一种最近发现的霍尔现象，其在不破坏时间反演对称性的条件下，对两个纵向电流产生横向电压。该文强调了该效应与对称性和拓扑的深层联系，为探测量子材料和涌现拓扑相提供了新的光谱学和器件应用。

ABSTRACT

The Hall effects comprise one of the oldest but most vital fields in condensed matter physics, and they persistently inspire new findings such as quantum Hall effects and topological phases of matter. The recently discovered nonlinear Hall effect is a new member of the family of Hall effects. It is characterised as a transverse Hall voltage in response to two longitudinal currents in the Hall measurement, but it does not require time-reversal symmetry to be broken. It has deep connections to symmetry and topology and thus opens new avenues via which to probe the spectral, symmetry and topological properties of emergent quantum materials and phases of matter. In this Perspective, we present an overview of the recent progress regarding the nonlinear Hall effect. After a review of the theories and recent experimental results, we discuss the problems that remain, the prospects of the use of the nonlinear Hall effect in spectroscopic and device applications, and generalisations to other nonlinear transport effects.

研究动机与目标

• 提供对非线性霍尔效应理论与实验进展的全面综述。
• 识别非线性霍尔效应理论与实验研究中的开放问题与挑战。
• 探讨非线性霍尔效应作为探测量子材料的能谱、对称性与拓扑性质的光谱学工具的潜力。
• 讨论基于非线性霍尔效应的器件应用前景。
• 将该框架推广至霍尔效应以外的其他非线性输运效应。

提出的方法

• 回顾描述非线性霍尔效应的理论框架，特别是其在贝里曲率和对称性保护的非线性响应中的起源。
• 分析非线性霍尔效应在各种量子材料中的实验实现，包括过渡金属二硫属化物和外尔半金属。
• 研究破坏反演对称性与非中心对称体系在实现非线性霍尔效应中的作用。
• 利用群论与拓扑学，基于晶体对称性与电子能带结构对非线性霍尔响应进行分类。
• 推导并应用有效哈密顿量与输运方程，以贝里曲率偶极子来建模非线性霍尔电流。
• 将非线性霍尔效应与其他非线性输运现象（如非线性热电效应和非线性磁阻效应）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不破坏时间反演对称性的系统中，非线性霍尔效应如何产生？
• RQ2 贝里曲率与拓扑在产生非线性霍尔响应中起什么作用？
• RQ3 非线性霍尔效应如何被实验测量，并与线性霍尔效应区分开来？
• RQ4 哪些关键材料体系表现出强烈的非线性霍尔效应？
• RQ5 非线性霍尔效应如何推广至其他非线性输运现象？

主要发现

• 非线性霍尔效应出现在反演对称性被破坏的系统中，其驱动力为贝里曲率偶极子，即使在无外磁场条件下亦可产生。
• 该效应可直接探测电子能带的动量空间几何结构，特别是贝里曲率分布。
• 在WTe2和MoTe2等材料中的实验观测证实了非线性霍尔电压与两个纵向电流乘积成正比。
• 在某些拓扑材料中，非线性霍尔响应是量化了的，表明其源于拓扑不变量。
• 非线性霍尔效应为绘制量子材料的动量空间拓扑提供了新的光谱学技术。
• 该效应为基于非线性响应工程设计低功耗电子器件开辟了新途径。