[论文解读] Zero-magnetic-field Hall effects in artificially corrugated bilayer graphene

Sheng-Chin Ho, Ching‐Hao Chang+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Graphene research and applications参考文献 57被引用 4

一句话总结

本研究在通过六方氮化硼上光刻图案化应变人工褶皱化的双层石墨烯中，展示了非线性反常霍尔效应和一种新型线性响应霍尔效应。所设计的赝磁质子场与贝里曲率偶极矩——在不破坏时间反演对称性的前提下——实现了由空间分离的反铁磁性赝磁质子场与层间耦合调制驱动的拓扑霍尔响应。

ABSTRACT

The ability to engineer the electronic band structure and, more strikingly, to access new exotic phase of matter has been the cornerstone of the advance of science and technology. Twisting van der Waals materials to form moiré superlattice is a powerful paradigm and can drive graphene from a normal metallic state into an insulating, superconducting, or ferromagnetic states. Here, we present a new route to create non-trivial band structure and consequently an exotic phase of matter via lithographically patterned strain (lattice deformation). This method is used to realize an artificially corrugated bilayer graphene wherein the real-space and momentum-space pseudo-magnetic fields (Berry curvatures) coexist and have nontrivial properties, namely, the Berry curvature dipole. This new class of condensed-matter systems enables us to observe the so-called nonlinear anomalous Hall effect and a new type of Hall effect without breaking the time-reversal symmetry. Such artificial material system and our approach to unconventional electronic states may open an avenue of geometrical and/or topological quantum phenomena as well as that of band engineering in van der Waals crystals.

研究动机与目标

• 通过光刻图案化应变工程化双层石墨烯的非平庸能带结构，以打破反演对称性。
• 在介观系统中实现共存的真实空间赝磁质子场与动量空间贝里曲率偶极矩。
• 展示无需时间反演对称性破缺的非线性反常霍尔效应及一种新型线性霍尔效应。
• 建立一个通过应变工程探索范德华异质结中几何与拓扑量子现象的平台。
• 验证层间耦合调制与空间分离的赝磁质子场对在生成非平庸霍尔响应中的作用。

提出的方法

• 在周期性为100 nm的人工褶皱六方氮化硼基底上制备双层石墨烯，以诱导局域晶格应变。
• 通过阶梯状褶皱设计空间分离的反铁磁性赝磁质子场（B_S），确保其一阶矩非零。
• 采用基于经典线性响应理论与爱因斯坦关系的有效模型计算霍尔电导率 σ_xy。
• 求解电子在有效场 B_eff(x) 和 E_eff(x) 作用下的牛顿运动方程，包含双层石墨烯中的谷依赖速度。
• 通过 2×10⁶ 个相空间采样计算速度关联函数，以确保电导率张量估算的精度达 0.001%。
• 推导出交流状态下非线性霍尔电流 j_y^{2ω} 的解析表达式，将其与贝里曲率偶极矩 D_x 关联，关系式为 D_x ≈ (2ħ²/e³τ) × (j_y^{2ω}/(ε_x^ω)^2)。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不破坏时间反演对称性的前提下，在双层石墨烯中实现非平庸霍尔效应？
• RQ2 空间分离的赝磁质子场对如何影响贝里曲率偶极矩与霍尔响应的产生？
• RQ3 层间耦合调制在应变条件下生成非线性和线性霍尔效应中起什么作用？
• RQ4 通过应变工程设计的介观系统是否能够支持可通过输运测量探测到的可测量非线性霍尔效应？
• RQ5 褶皱双层石墨烯中的各向异性输运在多大程度上影响霍尔电导率及其频率依赖性？

主要发现

• 在褶皱双层石墨烯中观测到非线性反常霍尔效应，霍尔电流满足 j_y^{2ω} ∝ D_x (ε_x^ω)^2 的标度关系，证实了贝里曲率偶极矩的存在。
• 线性霍尔电导率 σ_xy 为非零，且几乎随费米能级线性增加，与理论预测一致。
• 即使在仅具有单个褶皱侧边或平均自由程较短（50 nm）的系统中，霍尔响应依然存在，表明其对无序具有强鲁棒性。
• 有效模型证实霍尔效应源于有效电场与赝磁质子场之间的相互作用，而非对称性破缺所致。
• 通过实验测得的非线性霍尔电压与电流反推出贝里曲率偶极矩 D_x，验证了理论框架的正确性。
• 该系统表现出各向异性输运，需对 ρ_x 与 ρ_y 进行修正，且霍尔响应主导于纵向响应。