近期，我院数理学院张书辉副教授在国际著名期刊Physical Review Letters上发表了题为“Tunneling Valley Hall Effect Driven by Tilted Dirac Fermions”的研究成果。该研究针对谷电子学中实现全电调控的谷极化难题，提出了一种新的谷霍尔效应机制，即隧道谷霍尔效应，其不需要贝里曲率驱动，极大丰富了谷电子学材料的选择，并呈现优异的全电可调性能。

固体材料中电子的不同自由度呈现不同的新奇特性，从而被用于各种量子器件，比如，电荷自由度之于场效应晶体管等，自旋自由度之于自旋阀等。新材料的研究带来新自由度的探索，二维材料中的能带极值，即谷自由度，也可以被用于构建新奇的所谓谷电子学器件。基于二维体系的谷电子学历经十五年的发展，极大丰富人们对谷自由度的理解，亦有众多相关器件概念的提出。特别地，谷霍尔效应是全电的谷电子学的一个关键机制，其能将纵向谷未极化流转变为谷极化的横向流。然而，传统的谷霍尔效应需要贝里曲率驱动，只能存在于空间反演或者时间反演或者两者都破缺的体系，这极大地限制谷电子学材料的选择。

此研究首先定性揭示了隧道谷霍尔效应的存在，见图1。作者通过对比无倾斜和倾斜狄拉克费米子经过面内一体结的透射行为，发现倾斜狄拉克费米子会呈现谷依赖的不对称遂穿特性，从而建议这种动量滤波效应可将入射的纵向谷未极化流分离为横向谷极化流。因为量子遂穿效应起到关键作用，所以此建议的效应被命名为隧道谷霍尔效应。其次，此研究验证了隧道谷霍尔效应的存在。图2中，作者固定入射谷未极化流方向为垂直于倾斜方向，计算了无倾斜和倾斜狄拉克费米子透射图样。与预期一致，（无）倾斜狄拉克费米子的透射图样是（对称的）不对称的。此入射流的情形下，纯谷霍尔流产生，相应的霍尔角对倾斜程度和空间层宽度的依赖表明此效应低掺杂时也很有效（图2b），并呈现共振增强特性（图2d）。进一步，作者考察一般的入射流情形下，电荷霍尔流和谷霍尔流的不同特性（图3），显示了隧道谷霍尔效应的优越可调性。此研究建议的隧道谷霍尔效应为谷电子学器件提供了一种新机制，其可存在于零贝里曲率的空间反演和时间反演都对称的（非磁）体系，极大丰富了谷电子学的材料选择，加深了谷霍尔效应的理解。

图1：（a）和（b）两种狄拉克电子结构，前者无倾斜，后者有倾斜。（c）示意的面内一体结中的隧道谷霍尔效应，即入射端谷为未极化纵向流，出射端为横向谷极化流。（d）和（e）两种狄拉克费米子的谷依赖透射行为，前者无倾斜体系对称透射，后者倾斜体系不对称透射。

图2：两种狄拉克费米子的透射图样，即无倾斜对称透射（a）和有倾斜不对称透射（c）。倾斜体系隧道谷霍尔效应的谷霍尔角对倾斜程度（b）、空间层（d）的厚度依赖行为。

图3：面内一体结中横向输运特性对掺杂、入射流角度和不同空间层宽度的依赖行为。上一行，电荷霍尔的电导率（a）和（b），以及霍尔角（c）；下一行，隧道谷霍尔的电导率（d）和（e），以及谷霍尔角（f）。

该论文的第一通讯单位为北京化工大学，我院张书辉副教授为论文第一作者、第一通讯作者，中国科学院固体物理研究所邵定夫研究员、北京计算科学研究中心杨文研究员、美国内布拉斯加大学林肯分校Evgeny Y. Tsymbal教授为本论文共同通讯作者。

原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.246301

通讯作者简介

张书辉，北京化工大学数理学院副教授，硕士生导师，入选北化青年英才百人计划，长期从事量子材料中的新奇电子输运性质研究，在PRL、PRB等物理学科重要期刊发表文章30余篇，主持国家自然科学基金青年项目与面上项目各1项。