原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 12 November 2020; 

online 3 December 2020

首次通过电输运测量揭示了单层WSe2中应变调制的贝里曲率偶极矩、电流诱导的轨道磁化以及非线性霍尔效应。

单轴拉伸应变调制单层WSe2的电输运特性。上：单轴拉伸应变破坏单层WSe2的C3v对称性，从而产生非零贝里曲率偶极矩，施加电流进一步诱导出面外的轨道磁化，这种轨道磁化会产生霍尔效应，称之为非线性霍尔效应。下左：在频率为ω的电流激励下，测量二倍频的霍尔电压信号，其强度与电流的平方成正比，并可以通过应变场调控。下右：由非线性霍尔信号计算出贝里曲率偶极矩的强度，以及单位电流密度诱导的磁化强度。

贝里曲率是描述固体中布洛赫波函数局域曲率的一个基本物理量。拓扑体系中的轨道磁化与贝里曲率密切相关。这种轨道磁化已经在具有陈绝缘体相的魔角石墨烯体系中得到证实。在单层过渡金属硫族化合物(TMDC)中，存在非零的贝里曲率偶极矩（贝里曲率的一阶矩）时，可以通过电流诱导实现体系的轨道磁化。而这一沿着面外方向的轨道磁化会进一步引起反常霍尔效应，其霍尔电流与外加电场的二次方成正比，因此被称作为非线性霍尔效应。然而，单层TMDC中存在的C3v对称性使得其贝里曲率偶极矩为零。因此，要实现非零的贝里曲率偶极矩和非线性霍尔效应，需要破坏晶体的C3v对称性。

最近，北京大学廖志敏教授课题组在单层WSe2中施加单轴应变，观测到非线性霍尔效应，并且通过改变应变大小实现了对贝里曲率偶极矩的有效调控。实验中，他们通过栅极电压调制使得体系的费米能级处于价带，从而可以进行低温输运测量，并通过压电衬底实现应变的加载和调节。当施加沿着高对称轴方向的应变，并通入同方向频率为ω的交流电流时，通过锁相技术，得到频率为2ω的霍尔信号。这样的霍尔信号有别于传统的霍尔效应：一方面，得到的霍尔信号频率为电流信号频率的2倍；另一方面，霍尔信号与电流的二次方成正比，并且霍尔信号的正负号与电场方向无关，由贝里曲率偶极矩的正负号决定（实验中可通过外加拉/压应变调控）。观测到的霍尔信号来源于非线性霍尔效应，反映了非零的贝里曲率偶极矩的存在，以及电流诱导的轨道磁化。实验中通过调节应变大小，实现了对贝里曲率偶极矩和非线性霍尔效应的有效调制，贝里曲率偶极矩可高达4 nm，对应于1 A/m电流密度产生约60 A/m的轨道磁化。

在单层TMDC中通过应变调制贝里曲率偶极矩，进一步施加电流诱导出沿着面外方向的轨道磁化，从而有望通过磁扭矩效应实现与之近邻的磁性层中垂直磁化的高效翻转，除了自旋转移矩、自旋-轨道矩，为磁随机存储器的调控提供了一种新的途径。

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