强关联效应导致的巨大非线性霍尔效应
image: 在小角度转角WSe2超晶格中，非零的应力使得体系具有非零的贝里曲率偶极子（D）。当在源极（source）和漏极（drain）之间输入一个交流电压信号E时，这一非零的D导致二倍频霍尔信号j2 的产生。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
非线性霍尔效应（NHE）能够输出两个成分：一个是以驱动交流电两倍频率振荡的横向电压，另一个是由驱动交流电转换而来的直流信号。因此，NHE可广泛应用于无线通信、能量收集和红外探测器等需要倍频或整流的技术中。与传统倍频器或整流器不同的是，NHE中电信号的倍频和整流是通过材料的固有特性——贝利曲率偶极子决定的，不具有传统器件中的电压阈值或过渡时间限制，提升了其的应用潜力。然而，迄今为止，NHE的实验观察主要限于一小类具有非零贝里曲率的非强关联材料，且检测到的二倍频信号通常比较小，限制了其的进一步应用。范德瓦尔斯组装技术的发展给二维材料研究提供了新的机会，组装后的材料往往具有超出普通材料的奇异物理特性。例如，当把两个单层WSe2以小的转角堆叠在一起时，WSe2的能带会打开一个能量带隙并产生平坦的子带，使得转角WSe2成为强关联体系，导致观察到如关联绝缘态和连续莫特转变等超出单粒子物理学预期的新奇现象。
在这项研究中，作者以转角WSe2为例，证明转角技术可以为实现NHE提供一个额外的途径。在转角WSe2的第一个摩尔价带被填满一半时，作者观察到了巨大的非线性霍尔电压信号。相应的NHE信号产生效率为1000V-1，比迄今为止报告的非转角材料的最大值（6.25V-1）至少高两个数量级。尽管远离半填充的NHE信号可以用非零应力导致的非零贝里曲率偶极子来解释，半填充附近NHE信号的巨大增强无法用贝里曲率理解。为此，作者研究了体系半填充时的性质，在半填充附近观测到连续莫特转变以及与重费米子材料类似的质量发散特性，这一特性可以用于解释观测到的巨大NHE信号。
这项研究不仅展示了电子-电子相互作用如何与贝里曲率偶极子结合产生新的量子现象，而且还展示了NHE作为一种新工具研究量子临界（凝聚态物理学中最具挑战性和有趣的问题之一）的潜力。不仅如此，该研究对半导体器件应用也有重大意义。在转角WSe2观测到的NHE现象证明转角技术可以为实现NHE提供一个新的途径，为新一代高效量子倍频器件和整流器件的设计提供新的思路，有助于推动无线通信、能量收集和红外探测器等技术的发展。
上述研究获得国家重点研发计划“量子调控与量子信息”专项和香港研资局的支持。文章共同第一作为：黄美珍、吴泽飞、胡金鑫。文章通讯作者为：王宁、罗锦团、吴泽飞。香港科技大学为唯一通讯单位。
论文链接：
Giant nonlinear Hall effect in twisted bilayer WSe2