麻省理工Nature：时间反演对称下观测到双层WTe2中的非线性霍尔效应

小小熊

2018-12-25

电流的霍尔效应是指，在外加磁场的作用下，两端的电场会使导体/半导体产生横向电压。对霍尔效应的研究导致了一些突破性的进展，例如贝利曲率和拓扑不变量（Chern数）的发现。磁体具有内部磁化，这意味着电流的霍尔效应可在外加磁场缺失的情况下产生；这种“反常”霍尔效应对于研究量子磁体非常重要。由于时间反演对称的约束，电流的霍尔效应在无外磁作用下的非磁性材料中极少得到研究。然而，只有在线性响应机制下——当霍尔电压与外加电场成线性关系时，霍尔效应才由于时间反演对称的存在而恒等于零；在非线性响应机制下，霍尔效应不受这种对称性的约束。

麻省理工学院Nuh Gedik、Pablo Jarillo-Herrero等人在双层非磁性量子材料WTe₂的电输运中观测到了时间反演对称下的非线性霍尔效应。无外磁场的情况下，对双层WTe₂施加电流将产生非线性霍尔电压。这种非线性霍尔效应与金属中观测到的反常霍尔效应在性质上明显不同：非线性霍尔效应对应着二次曲线型的电流-电压特征关系，而非线性；此外，与反常霍尔效应相比，非线性霍尔效应的径向电压响应明显大于轴向电压响应，使得非线性霍尔角（总电压响应与外加电场所成角度）大小接近90度。作者进一步证明，非线性霍尔效应能对贝利曲率的偶极矩（源自双层WTe₂中的层极化狄拉克费米子）进行直接测量。这些研究结果证实了一种新型霍尔效应的存在，并为测量非磁性量子材料中的贝利曲率提供了一条路径。

Ma Q, Xu S-Y, Shen H, et al. Observation of the nonlinear Hall effect under time-reversal-symmetric conditions[J]. Nature, 2018.

DOI: 10.1038/s41586-018-0807-6

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0807-6#article-info