Symmetry-Breaking-Induced Nonlinear Hall Effect in Graphene

Abstract

The Hall effects, characterized by a transverse voltage in response to longitudinal currents, represent important paradigms in condensed matter physics, such as the discoveries of topological phases of matter, as well as applications in the international system of units and potentials in topological quantum computing. Most Hall effects are measured in the linear response regime, resulting from broken time-reversal symmetry induced by external magnetic fields or intrinsic magnetic orders, as constrained by Onsager’s reciprocal theorem. By contrast, the recently discovered nonlinear Hall effect, referred to a Hall voltage nonlinearly dependent on perpendicular driving currents, only relies on broken inversion symmetry. It has deep connections to the Berry curvature dipole moment and, thus, opens new avenues for probing the topological properties of emergent quantum phases of materials. In this study, we observe the nonlinear Hall effect in graphene by deliberately breaking its symmetry through proximity effects induced by a molecular beam epitaxy (MBE)-grown a-plane ZnO, a material with broken inversion symmetry and a single mirror line in the crystal a-axis. Our angle-resolved electrical measurements reveal that the second harmonic transverse Hall voltage maximizes (vanishes) when the bias current is perpendicular (parallel) to the mirror axis.

Keywords: Nonlinear Hall effect, Symmetry breaking, Graphene|종방향 전류에 반응하는 횡방향 전압으로 특징지어지는 홀 효과는 물질의 위상 위상에 대한 발견과 위상 양자 컴퓨팅의 단위 및 전위 국제 시스템에서의 응용과 같은 응축 물질 물리학에서 중요한 패러다임을 나타냅니다. 대부분의 홀 효과는 Onsager의 역수 정리에 의해 제약을 받는 외부 자기장 또는 고유 자기 질서에 의해 유도된 깨진 시간 역전 대칭으로 인해 선형 응답 체제에서 측정됩니다. 이와는 대조적으로, 수직 구동 전류에 비선형적으로 의존하는 홀 전압이라고 하는 최근에 발견된 비선형 홀 효과는 깨진 반전 대칭에만 의존합니다. 베리 곡률 쌍극자 모멘트와 깊은 연관성을 가지고 있으므로 물질의 새로운 양자 위상의 위상학적 특성을 조사할 수 있는 새로운 길을 엽니다. 이 연구에서는 반전 대칭이 깨지고 결정 a축에 단일 거울 대칭이 있는 a면 ZnO에 의해 유도된 근접 효과를 통해 그래핀의 반전 대칭을 의도적으로 깨뜨려 비선형 홀 효과를 관찰합니다. 각도에 따른 전기 측정 결과 바이어스 전류가 거울 축에 수직(평행)일 때 두 번째 고조파 횡방향 홀 전압이 최대화(소멸)되는 것으로 나타났습니다.