北理工團(tuán)隊(duì)在轉(zhuǎn)角石墨烯體系的二階非線性霍爾輸運(yùn)研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-10-28 供稿：物理學(xué)院
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近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授、段俊熙副研究員團(tuán)隊(duì)在轉(zhuǎn)角石墨烯體系的二階非線性霍爾輸運(yùn)研究中取得重要進(jìn)展,。研究成果發(fā)表于物理學(xué)期刊《Physical Review Letters》,。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)物理學(xué)院的段俊熙副研究員和姚裕貴教授以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的高陽教授為本文的共同通訊作者,。段俊熙和物理學(xué)院博士生簡(jiǎn)昱（目前就職于華為）為論文的共同第一作者,。
霍爾效應(yīng)一直以來是凝聚態(tài)物理中非常熱門的研究課題,，霍爾效應(yīng)家族也有眾多成員。對(duì)各類霍爾效應(yīng)量子本質(zhì)的深入理解為凝聚態(tài)研究引入了諸如貝里相位,、拓?fù)潢悢?shù)等新奇概念,。在線性響應(yīng)框架內(nèi)，要獲得非零的霍爾信號(hào),，體系需要破壞時(shí)間反演對(duì)稱性,。近年來，被稱為二階非線性霍爾效應(yīng)的輸運(yùn)現(xiàn)象獲得了廣泛的關(guān)注,。這一效應(yīng)不僅可以用于探索能帶結(jié)構(gòu)的高階拓?fù)湫再|(zhì),，在信號(hào)倍頻以及整流方面也有潛在的應(yīng)用。在二階響應(yīng)下,，時(shí)間反演對(duì)稱性破缺并不是必須的,。相反的，二階非線性霍爾起源于空間反演對(duì)稱性的破缺,。二階非線性霍爾效應(yīng)根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)制,，可以分為內(nèi)稟和散射引起兩類。前者由能帶貝里曲率的不均勻分布導(dǎo)致,，對(duì)體系的晶格對(duì)稱性除了空間反演破缺外還有更嚴(yán)格的要求,，但是其產(chǎn)生的響應(yīng)往往較弱。另一方面,，散射在輸運(yùn)過程中起著非常重要的作用,。不同于反常霍爾效應(yīng)中散射引起的機(jī)制與內(nèi)稟機(jī)制貢獻(xiàn)相當(dāng),，在非線性霍爾效應(yīng)中,，理論預(yù)言散射機(jī)制可以起主導(dǎo)作用。然而,，目前已有的報(bào)道中對(duì)散射機(jī)制的研究非常少,，并且對(duì)散射機(jī)制的區(qū)分過于簡(jiǎn)單。此外,，對(duì)聲子散射在非線性霍爾效應(yīng)中的貢獻(xiàn)尚未有涉及,。
北京理工大學(xué)姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于新型二維拓?fù)洳牧陷斶\(yùn)性質(zhì)的研究。為了研究散射引起的二階非線性霍爾效應(yīng)以及對(duì)散射機(jī)制有深刻了解,，研究團(tuán)隊(duì)選擇了高質(zhì)量的轉(zhuǎn)角石墨烯樣品作為研究體系。這一體系有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）. 轉(zhuǎn)角石墨烯體系具有C3對(duì)稱性,，可以確保體系中沒有內(nèi)稟貢獻(xiàn),；（2）. 轉(zhuǎn)角石墨烯體系天然存在莫爾超晶格帶隙。根據(jù)理論計(jì)算,，散射機(jī)制的貢獻(xiàn)在帶隙邊緣有極大值,；（3）. 石墨烯體系的高遷移率以及柵極可控的費(fèi)米能級(jí)對(duì)獲得強(qiáng)散射機(jī)制的貢獻(xiàn)至關(guān)重要,。
圖1. 轉(zhuǎn)角石墨烯中的巨二階非線性霍爾效應(yīng)
該研究工作有以下兩個(gè)亮點(diǎn)：（1）. 研究團(tuán)隊(duì)首次在轉(zhuǎn)角石墨烯體系中觀測(cè)到了巨非線性霍爾效應(yīng)。獲得的非線性霍爾電導(dǎo)比之前報(bào)道的WTe2以及轉(zhuǎn)角WSe2等體系中的觀測(cè)值至少大兩個(gè)量級(jí),，如圖1所示,。（2）. 通過標(biāo)度分析，研究團(tuán)隊(duì)首次嚴(yán)格區(qū)分了散射機(jī)制中不同散射源的貢獻(xiàn),。不同于之前研究中只討論了雜質(zhì)引起的skew scattering,，該工作首次觀測(cè)到了聲子引起的skew scattering貢獻(xiàn)，并揭示了聲子的貢獻(xiàn)隨著溫度上升可以與雜質(zhì)貢獻(xiàn)相當(dāng),，如圖2所示,。
圖2. 轉(zhuǎn)角石墨烯中非線性霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制
該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金,、北京市重點(diǎn),、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目以及中部高校基礎(chǔ)科研基金的支持,。
Junxi Duan*,?, Yu Jian?, Yang Gao*, Huimin Peng, Jinrui Zhong, Qi Feng, Jinhai Mao, and Yugui Yao*,，“Giant Second-Order Nonlinear Hall Effect in Twisted Bilayer Graphene”，Phys. Rev. Lett. 129, 186801 (2022) (?為共同一作,，*為通訊作者)
URL：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.186801
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