[论文解读] Strong Room-Temperature Bulk Nonlinear Hall Effect in a Spin-Valley Locked Dirac Material

Lujin Min, Hengxin Tan+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 9

一句话总结

本研究在自旋-谷锁定的狄拉克材料BaMnSb2中，于室温下展示了强烈的本征体相非线性霍尔效应（NLHE）。该效应源于纵向电流流动下贝里曲率偶极子的生成，从而产生与电流呈二次方关系的显著横向霍尔电压，为无线微波探测和频率倍频等实际应用提供了可能。

ABSTRACT

Nonlinear Hall effect (NLHE) is a new type of Hall effect with wide application prospects. Practical device applications require strong NLHE at room temperature (RT). However, previously reported NLHEs are all low-temperature phenomena except for the surface NLHE of TaIrTe4. Bulk RT NLHE is highly desired due to its ability to generate large photocurrent. Here, we show the spin-valley locked Dirac state in BaMnSb2 can generate a strong bulk NLHE at RT. In the microscale devices, we observe the typical signature of an intrinsic NLHE, i.e. the transverse Hall voltage quadratically scales with the longitudinal current as the current is applied to the Berry curvature dipole direction. Furthermore, we also demonstrate our nonlinear Hall device's functionality in wireless microwave detection and frequency doubling. These findings broaden the coupled spin and valley physics from 2D systems into a 3D system and lay a foundation for exploring bulk NLHE's applications.

研究动机与目标

• 在三维狄拉克材料中展示一种在室温下稳健且本征的体相非线性霍尔效应（NLHE）。
• 探究自旋-谷锁定在体系统中产生强非线性霍尔响应中的作用。
• 通过实现高温工作和大信号输出，推动NLHE在实际器件中的应用。
• 将自旋与谷自由度耦合的物理规律从二维体系扩展至三维体系。
• 在真实应用场景（如微波探测与频率倍频）中验证NLHE器件的功能性。

提出的方法

• 从单晶BaMnSb2中制备微米尺度器件，以探测非线性霍尔输运特性。
• 沿贝里曲率偶极子方向施加纵向电流，以诱导横向霍尔电压。
• 测量非线性霍尔电压随纵向电流的变化，以确认其二次方依赖关系。
• 利用角度分辨输运测量，通过贝里曲率效应确认NLHE的本征性。
• 利用非线性霍尔信号在无线微波探测与频率倍频中展示了器件功能。
• 采用理论建模，将观测到的NLHE与BaMnSb2中自旋-谷锁定的狄拉克态联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在三维狄拉克材料中于室温下实现强本征体相非线性霍尔效应？
• RQ2 BaMnSb2中的自旋-谷锁定如何促进大非线性霍尔响应的产生？
• RQ3 非线性霍尔电压与所施加纵向电流之间的依赖关系如何？
• RQ4 能否将体相非线性霍尔效应用于实际器件应用，如微波探测？
• RQ5 BaMnSb2中的非线性霍尔效应在多大程度上源于本征的贝里曲率偶极子效应？

主要发现

• 在室温下于BaMnSb2中观测到强本征体相非线性霍尔效应，横向霍尔电压与纵向电流呈二次方关系。
• BaMnSb2中的非线性霍尔响应归因于三维狄拉克态中自旋-谷锁定诱导的贝里曲率偶极子。
• 器件在室温下运行时表现出可测量的非线性霍尔电压，证实了体相NLHE在实际温度下的可行性。
• 非线性霍尔器件成功探测到无线微波信号，并展示了频率倍频功能。
• 通过角度依赖测量与对称性分析，证实该NLHE具有强鲁棒性与本征性。
• 研究结果确立了BaMnSb2作为探索体相非线性输运及其在节能电子与光子器件中应用的有前途平台。