最新Nature Nanotechnology：室温非线性霍尔效应

原创鲜辉研之成理

▲第一作者：Dushyant Kumar

通讯作者：Hyunsoo Yang

通讯单位：National University of Singapore

DOI：10.1038/s41565-020-00839-3

背景介绍

几何相位和拓扑之间的紧密联系使得基于霍尔效应的现象已成为现代材料和物理学的主要研究重点之一，这促使了人们对物质拓扑态的探索和许多相应实际应用的开发。在线性响应方式下，霍尔电导率需要通过磁化或外部磁场来打破时间反演对称性。但最近的一项研究预测，在非线性响应条件下，霍尔电导率在存在时间反演对称性但反演对称性破缺的情况下仍可以存在，这被称为非线性霍尔效应（NLHE）。NLHE是一种可以在没有磁场的情况下产生横向电压的现象，它为整流或倍频提供了潜在的替代方法。

特别地，二阶非线性表现出两个成分：一个是电压以驱动交流电的频率（2ω）的两倍振荡；第二个即是非线性。另一个分量是由于整流作用而产生的直流电。因此，NLHE可用于如能量收集，无线通信和红外探测器等需要倍频或整流的应用中，但这些应用要求在室温下检测到NLHE。尽管目前对拓扑材料和2D材料中的NLHE进行了多项研究，但尚未实现室温NLHE，低温检测限制了其进一步的应用。

本文亮点

1、作者首次实验观察到了II型Weyl半金属TaIrTe₄的室温NLHE，由于反演对称性的破缺和费米能级的大谱带重叠，其表现出稳健的室温NLHE。

2、对TaIrTe₄中Berry 曲率偶极子（BCD）的理论计算表明，通过逐渐增加化学势μE，相应的BCD会改变符号，从而验证了NLHE到费米面的敏感性。

3、基于在TaIrTe₄中观察到的室温NLHE，作者实现了零外部偏置和磁场的无线射频（RF）整流。

4、基于NLHE这项工作为在Weyl半金属中实现室温应用打开了大门。

图文解析

▲图1. 20 nm厚度霍尔棒的TaIrTe₄器件中的NLHE

要点：

1、作者选择拥有最少数量的、分离良好的Weyl点，且具有破缺反演对称性的II型T-WSM TaIrTe₄系统对NLHE进行研究。

2、作者通过将Td-TaIrTe₄单晶机械剥离到高电阻氧化硅晶片上、选择长方形的TaIrTe₄薄片并沿结晶方向进行构图来制造NLHE器件。

3、仅当沿着镜对称平面的轴（晶体的a轴）施加电场并且相当大的、可持续到室温的NLHE时，才能观察到NLHE的存在。

▲图2. NLH电压符号随化学势移动的变化

要点：

1、作者还观察到了TaIrTe₄中NLHE的温度诱导的符号反转即NLH电压的符号在~175 K处发生变化即反转。

2、理论计算表明，观察到的符号反转是温度引起的化学势移动的结果，这表明NLHE与费米表面的电子结构直接相关。

▲图3. 厚度依赖的NLH信号

▲图4. TaTerTe₄中基于NLHE的整流应用

要点：

1、对于块体TaIrTe₄的性质，还将进一步研究NLHE的厚度依赖性，以验证NLHE固有的晶体对称性约束。

2、作者证明了TaIrTe₄中的NLHE可用于无电池RF能量收集的应用。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00839-3

作者简介

Hyunsoo Yang

Hyunsoo Yang，新加坡国立大学电子与计算机工程系的Globalfoundries首席教授。1998-2006年，先后获得国立首尔大学学士学位和斯坦福大学硕士博士学位。目前从事各种磁性材料和自旋电子学应用器件的研究。发表论文170篇论文，做过100次邀请报告，拥有15项专利。获得过IEEE Distinguished Lecturership of the Magnetics Society for 2019、Minister of Science ICT award、American Physical Society (GMAG) Outstanding Dissertation Award for 2006等奖项。

主页：

https://www.yang-group.com/

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