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最新Nature Nanotechnology：室温非线性霍尔效应

研之成理 · 公众号 · · 2021-01-26 12:14

正文

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▲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 TaIrTe ₄ 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TaIrTe ₄ 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TaIrTe ₄ 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TaIrTe ₄ 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 TaIrTe ₄ 系统对NLHE进行研究。

2 、作者通过将Td-TaIrTe ₄ 单晶机械剥离 到高电阻氧化硅晶片上、选择长方形的 TaIrTe ₄ 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TaIrTe ₄ 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. TaTerTe ₄ 中基于NLHE的整流应用

要点：

1、对于 块体TaIrTe ₄ 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TaIrTe ₄ 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 Yan g

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。

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