北理工團(tuán)隊(duì)在二階非線性輸運(yùn)調(diào)控研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-05-16 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院的姚裕貴教授,、段俊熙副教授團(tuán)隊(duì)在基于轉(zhuǎn)角雙層-雙層石墨烯的二階非線性效應(yīng)探測與調(diào)控中取得重要進(jìn)展,，研究成果發(fā)表于國際頂級期刊《Nano Letters》,。
霍爾效應(yīng)在凝聚態(tài)物理研究中有著非常重要的地位。如貝里相位,、拓?fù)潢悢?shù)等諸多物理概念都是在對霍爾效應(yīng)量子本質(zhì)的研究中被啟發(fā),。同時(shí)，霍爾效應(yīng)的探究還在新一代納米電子學(xué)器件和量子信息等量子科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中催生了莫大變革,。然而,，在線性響應(yīng)下要獲得非零霍爾信號，體系需要破缺時(shí)間反演對稱性,。近年來有理論提出，在維持時(shí)間反演對稱性時(shí),，體系在二階非線性響應(yīng)下仍可存在橫向的電子輸運(yùn),。這種二階非線性輸運(yùn)效應(yīng)不僅可用于探索電子態(tài)和能帶結(jié)構(gòu)的高階拓?fù)湫再|(zhì)，還在信號倍頻,、整流等方面的巨大應(yīng)用價(jià)值,。
在二階響應(yīng)下，非線性霍爾輸運(yùn)起源于空間反演對稱性的破缺,。貝里曲率可以在空間反演對稱性破缺下于動(dòng)量空間產(chǎn)生不均勻分布,，成為所謂“貝里曲率偶極子”。另一方面,，二階非線性響應(yīng)下,，螺散射機(jī)制也會在某些條件下導(dǎo)致極強(qiáng)的非線性輸運(yùn)。這兩種主要機(jī)制都可以使得電子在外加交變電場的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)二倍頻率的橫向運(yùn)動(dòng),。然而,，實(shí)驗(yàn)已報(bào)道的二階非線性霍爾輸運(yùn)的電導(dǎo)率都相對較小。此外,，尚未有實(shí)驗(yàn)工作在同一個(gè)體系中實(shí)現(xiàn)對這兩種主要機(jī)制的有效調(diào)控,。這些都極大限制了對這兩種機(jī)制背后物理特性的深入挖掘。
北京理工大學(xué)姚裕貴教授,、段俊熙副教授團(tuán)隊(duì)長期致力于新型二維拓?fù)洳牧陷斶\(yùn)性質(zhì)的研究,。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在二階非線性輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究中開展了一系列工作，包括研究了轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中的非線性霍爾效應(yīng)[Junxi Duan et.al., Phys. Rev. Lett. 129, 186801 (2022)]以及實(shí)現(xiàn)了Fe5GeTe2/AlxO3界面誘導(dǎo)的貝里曲率偶極子[Jinrui Zhong et.al., Phys. Rev. Applied 21, 024044 (2024)],。為了探索對二階非線性霍爾效應(yīng)機(jī)制的有效調(diào)控以及獲得更強(qiáng)的二階非線性橫向輸運(yùn)信號,，研究團(tuán)隊(duì)選擇了高質(zhì)量的轉(zhuǎn)角雙層-雙層石墨烯樣品作為研究體系。這一體系有以下幾個(gè)優(yōu)勢：（1）該體系存在由雙柵高度可控的拓?fù)淦綆?，其中電子態(tài)和貝里曲率分布可以被有效調(diào)控,；（2）相比于轉(zhuǎn)角雙層石墨烯，該體系受額外的層間偏置電場調(diào)控,，可以同時(shí)分別調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米能級,；（3）該體系存在范霍夫奇點(diǎn)以及超高載流子遷移率,，對獲得巨大非線性輸運(yùn)信號至關(guān)重要。
圖1. 轉(zhuǎn)角雙層-雙層石墨烯中有報(bào)導(dǎo)以來最大的二階非線性霍爾輸運(yùn)信號
該研究工作有以下兩個(gè)亮點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)了目前實(shí)驗(yàn)報(bào)道的最大的非線性霍爾輸運(yùn)信號,，獲得的二階非線性霍爾電導(dǎo)比之前實(shí)驗(yàn)報(bào)導(dǎo)的最大值高出接近兩個(gè)數(shù)量級,，如圖1所示；（2）通過改變層間偏置電場,，在拓?fù)淦綆н吺状螌?shí)現(xiàn)了調(diào)控兩種主要機(jī)制對二階非線性輸運(yùn)的貢獻(xiàn),，觀測到了由貝里曲率偶極子主導(dǎo)的向由螺散射主導(dǎo)的機(jī)制轉(zhuǎn)變，如圖2所示,。這表明轉(zhuǎn)角雙層-雙層石墨烯是富有潛力的研究二階非線性輸運(yùn)的平臺,，對拓寬非線性輸運(yùn)和能帶拓?fù)湮镄缘难芯坑兄卮笠饬x。
圖2. 轉(zhuǎn)角雙層-雙層石墨烯中兩種非線性霍爾輸運(yùn)機(jī)制的調(diào)控
北京理工大學(xué)為該研究工作的第一完成單位,。北京理工大學(xué)的段俊熙副教授和姚裕貴教授,、中國科學(xué)院大學(xué)的毛金海教授以及上海科技大學(xué)的劉健鵬教授為本文的通訊作者,。北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士研究生鐘錦銳為論文第一作者,，湖南大學(xué)的張世豪副教授（研究工作開展期間為上海科技大學(xué)博士后）為論文的共同第一作者,。該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國家自然科學(xué)基金、北京市重點(diǎn),、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目以及北京理工大學(xué)微納技術(shù)中心的支持,。
Jinrui Zhong#, Shihao Zhang#, Junxi Duan*, Huimin Peng, Qi Feng, Yuqing Hu, Qinsheng Wang, Jinhai Mao*, Jianpeng Liu*, and Yugui Yao*，“Effective Manipulation of a Colossal Second-Order Transverse Response in an Electric-Field-Tunable Graphene Moire? System”,，Nano Lett. 24, 5791?5798 (2024) (#為共同一作,，*為通訊作者)
URL：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00933
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