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Observation of the nonlinear Hall effect under time-reversal-symmetric conditions

凝聚态物理 霍尔效应 量子霍尔效应 热霍尔效应 物理 Berry连接和曲率 磁场 量子自旋霍尔效应 磁化 量子力学 几何相位
作者
Qiong Ma,Su-Yang Xu,Huitao Shen,David MacNeill,Valla Fatemi,Tay‐Rong Chang,Andrés M. Mier Valdivia,Sanfeng Wu,Zongzheng Du,Chuang‐Han Hsu,Shiang Fang,Quinn Gibson,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,R. J. Cava,Efthimios Kaxiras,Hai‐Zhou Lu,Hsin Lin,Liang Fu,Nuh Gedik
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:565 (7739): 337-342 被引量:682
标识
DOI:10.1038/s41586-018-0807-6
摘要

The electrical Hall effect is the production, upon the application of an electric field, of a transverse voltage under an out-of-plane magnetic field. Studies of the Hall effect have led to important breakthroughs, including the discoveries of Berry curvature and topological Chern invariants1,2. The internal magnetization of magnets means that the electrical Hall effect can occur in the absence of an external magnetic field2; this 'anomalous' Hall effect is important for the study of quantum magnets2-7. The electrical Hall effect has rarely been studied in non-magnetic materials without external magnetic fields, owing to the constraint of time-reversal symmetry. However, only in the linear response regime-when the Hall voltage is linearly proportional to the external electric field-does the Hall effect identically vanish as a result of time-reversal symmetry; the Hall effect in the nonlinear response regime is not subject to such symmetry constraints8-10. Here we report observations of the nonlinear Hall effect10 in electrical transport in bilayers of the non-magnetic quantum material WTe2 under time-reversal-symmetric conditions. We show that an electric current in bilayer WTe2 leads to a nonlinear Hall voltage in the absence of a magnetic field. The properties of this nonlinear Hall effect are distinct from those of the anomalous Hall effect in metals: the nonlinear Hall effect results in a quadratic, rather than linear, current-voltage characteristic and, in contrast to the anomalous Hall effect, the nonlinear Hall effect results in a much larger transverse than longitudinal voltage response, leading to a nonlinear Hall angle (the angle between the total voltage response and the applied electric field) of nearly 90 degrees. We further show that the nonlinear Hall effect provides a direct measure of the dipole moment10 of the Berry curvature, which arises from layer-polarized Dirac fermions in bilayer WTe2. Our results demonstrate a new type of Hall effect and provide a way of detecting Berry curvature in non-magnetic quantum materials.
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