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室温能谷电子学器件成为现实--实验观测到室温下的本征能谷霍尔效应

已有 920 次阅读 2019-3-14 23:26 |系统分类:论文交流

       在二维蜂窝状晶体结构的材料中,比如石墨烯和二硫化钼,电子除了拥有电荷和自旋这两种自由度以外,还拥有一种新的自由度--能谷。

       一种探测和利用这个新自由度的方法就是实现能谷霍尔效应。在这里要引入贝里曲率这个概念,理论上而言,贝里曲率在空间反演下是偶对称的,在时间反演下是奇对称的。当两种对称不是同时存在时,贝里曲率不为零。单层二硫化钼中,晶体结构缺失了反演对称,导致不同能谷(K和K')具有大小相等方向相反的贝里曲率(下图左)。这里的贝里曲率可以看作是倒空间的等效磁场。在这个贝里曲率的作用下,不同能谷的电子感受到大小相等方向相反的"洛伦兹力",进而在垂直于电流的方向两侧积累不同能谷的电子。

       由于K和K'能谷电子所带电荷相等,普通霍尔方法是测量不到电压差的。所以实验上采用逆能谷霍尔效应的方法,通过非定域电输运测量由于逆能谷霍尔效应产生的电压差来检测能谷电流(下图右)。

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       我们最近发表的工作,在具有世界记录迁移率的二硫化钼场效应电子器件中,第一次报道了缺失反演对称的单层和三层二硫化钼中的能谷霍尔效应。与以往的光学手段不同的是:

       1. 光学手段通过偏振光选择性激发不同能谷的电子,打破了晶体的时间反演对称;

       2. 我们的工作采用电子输运的方法,利用了材料本身缺失反演对称的晶体性质。

因此,我们称之为本征能谷霍尔效应。实验上,我们在16微米长的样品中观测到了本征能谷流,最高温度甚至达到了室温!这是目前世界上能谷霍尔效应的最长工作距离和最高工作温度。我们的工作为实现能在室温下工作的新一代能谷电子学器件点燃了新的希望!这项工作发表在2019年2月5日的《自然通讯》杂志,有兴趣的话可以点下面的链接看原文,欢迎交流指正。

《Intrinsic valley Hall transport in atomically thin MoS2

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08629-9




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