Third-order nonlinear Hall effect induced by the Berry-connection polarizability tensor

Berry连接和曲率 极化率 霍尔效应 点反射 凝聚态物理 物理 曲率 非线性系统 量子力学 几何相位 磁场 几何学 数学 分子
作者
Shen Lai,Huiying Liu,Zhaowei Zhang,Jin Zhao,Xiaolong Feng,Naizhou Wang,Chaolong Tang,Yuanda Liu,К. С. Новоселов,Shengyuan A. Yang,Weibo Gao
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Springer Nature]
卷期号:16 (8): 869-873 被引量:58
标识
DOI:10.1038/s41565-021-00917-0
摘要

Nonlinear responses in transport measurements are linked to material properties not accessible at linear order1 because they follow distinct symmetry requirements2–5. While the linear Hall effect indicates time-reversal symmetry breaking, the second-order nonlinear Hall effect typically requires broken inversion symmetry1. Recent experiments on ultrathin WTe2 demonstrated this connection between crystal structure and nonlinear response6,7. The observed second-order nonlinear Hall effect can probe the Berry curvature dipole, a band geometric property, in non-magnetic materials, just like the anomalous Hall effect probes the Berry curvature in magnetic materials8,9. Theory predicts that another intrinsic band geometric property, the Berry-connection polarizability tensor10, gives rise to higher-order signals, but it has not been probed experimentally. Here, we report a third-order nonlinear Hall effect in thick Td-MoTe2 samples. The third-order signal is found to be the dominant response over both the linear- and second-order ones. Angle-resolved measurements reveal that this feature results from crystal symmetry constraints. Temperature-dependent measurement shows that the third-order Hall response agrees with the Berry-connection polarizability contribution evaluated by first-principles calculations. The third-order nonlinear Hall effect provides a valuable probe for intriguing material properties that are not accessible at lower orders and may be employed for high-order-response electronic devices. Nonlinear responses in transport measurements can unveil specific material properties not accessible with linear measurements. In thick Td-MoTe2 samples, a third-order nonlinear Hall effect dominates over lower-order contributions and is linked to the Berry-connection polarizability tensor.
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