北理工團隊在二階非線性輸運調控研究方面取得重要進展
發布日期：2024-05-16 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
近日，北京理工大學物理學院的姚裕貴教授、段俊熙副教授團隊在基于轉角雙層-雙層石墨烯的二階非線性效應探測與調控中取得重要進展，研究成果發表于國際頂級期刊《Nano Letters》。
霍爾效應在凝聚態物理研究中有著非常重要的地位。如貝里相位、拓撲陳數等諸多物理概念都是在對霍爾效應量子本質的研究中被啟發。同時，霍爾效應的探究還在新一代納米電子學器件和量子信息等量子科學應用領域中催生了莫大變革。然而，在線性響應下要獲得非零霍爾信號，體系需要破缺時間反演對稱性。近年來有理論提出，在維持時間反演對稱性時，體系在二階非線性響應下仍可存在橫向的電子輸運。這種二階非線性輸運效應不僅可用于探索電子態和能帶結構的高階拓撲性質，還在信號倍頻、整流等方面的巨大應用價值。
在二階響應下，非線性霍爾輸運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量空間產生不均勻分布，成為所謂“貝里曲率偶極子”。另一方面，二階非線性響應下，螺散射機制也會在某些條件下導致極強的非線性輸運。這兩種主要機制都可以使得電子在外加交變電場的驅動下實現二倍頻率的橫向運動。然而，實驗已報道的二階非線性霍爾輸運的電導率都相對較小。此外，尚未有實驗工作在同一個體系中實現對這兩種主要機制的有效調控。這些都極大限制了對這兩種機制背后物理特性的深入挖掘。
北京理工大學姚裕貴教授、段俊熙副教授團隊長期致力于新型二維拓撲材料輸運性質的研究。該團隊已經在二階非線性輸運實驗研究中開展了一系列工作，包括研究了轉角雙層石墨烯中的非線性霍爾效應[Junxi Duan et.al., Phys. Rev. Lett. 129, 186801 (2022)]以及實現了Fe5GeTe2/AlxO3界面誘導的貝里曲率偶極子[Jinrui Zhong et.al., Phys. Rev. Applied 21, 024044 (2024)]。為了探索對二階非線性霍爾效應機制的有效調控以及獲得更強的二階非線性橫向輸運信號，研究團隊選擇了高質量的轉角雙層-雙層石墨烯樣品作為研究體系。這一體系有以下幾個優勢：（1）該體系存在由雙柵高度可控的拓撲平帶，其中電子態和貝里曲率分布可以被有效調控；（2）相比于轉角雙層石墨烯，該體系受額外的層間偏置電場調控，可以同時分別調控能帶結構和費米能級；（3）該體系存在范霍夫奇點以及超高載流子遷移率，對獲得巨大非線性輸運信號至關重要。
圖1. 轉角雙層-雙層石墨烯中有報導以來最大的二階非線性霍爾輸運信號
該研究工作有以下兩個亮點：（1）實現了目前實驗報道的最大的非線性霍爾輸運信號，獲得的二階非線性霍爾電導比之前實驗報導的最大值高出接近兩個數量級，如圖1所示；（2）通過改變層間偏置電場，在拓撲平帶帶邊首次實現了調控兩種主要機制對二階非線性輸運的貢獻，觀測到了由貝里曲率偶極子主導的向由螺散射主導的機制轉變，如圖2所示。這表明轉角雙層-雙層石墨烯是富有潛力的研究二階非線性輸運的平臺，對拓寬非線性輸運和能帶拓撲物性的研究有重大意義。
圖2. 轉角雙層-雙層石墨烯中兩種非線性霍爾輸運機制的調控
北京理工大學為該研究工作的第一完成單位。北京理工大學的段俊熙副教授和姚裕貴教授、中國科學院大學的毛金海教授以及上?？萍即髮W的劉健鵬教授為本文的通訊作者。北京理工大學物理學院博士研究生鐘錦銳為論文第一作者，湖南大學的張世豪副教授（研究工作開展期間為上海科技大學博士后）為論文的共同第一作者。該工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市重點、中科院先導項目以及北京理工大學微納技術中心的支持。
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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