[Yuting Qian 박사, 양범정 교수] 강유전체 분극을 이용한 베리곡률 쌍극자 생성 및 비선형 스핀 광전류 제어 원리 규명 (Nature Communications 논문 게재)
Berry curvature dipole generation and nonreciprocal spin photocurrents in ferroelectricity polarized heterostructures
이번 연구는 강유전체 분극을 이용해 반도체 다층 구조에서 Berry curvature dipole을 생성하고, 이를 통해 비선형 광전류를 제어할 수 있음을 보인 성과이다. Berry curvature dipole은 운동량 공간에서 Berry curvature가 비대칭적으로 분포할 때 나타나는 양자기하학적 물리량으로, 비선형 홀 효과와 광갈바닉 효과 등 차세대 광전자 현상을 이해하는 핵심 개념이다. 기존에는 주로 계면 격자 불일치로 대칭성을 깨뜨린 단층 반도체에서 Berry curvature dipole을 구현해 왔으나, 두꺼운 다층 반도체에서 이를 효과적으로 유도하는 방법은 중요한 미해결 문제로 남아 있었다.
본 연구에서는 WSe/LiNbO₃ 이종구조를 이용하여, LiNbO의 면내 강유전 분극이 다층 WSe의 회전대칭성을 깨뜨리고 강한 원형 광갈바닉 전류를 유도함을 실험적으로 확인하였다. 특히 관측된 광전류는 바이어스 전압 방향에 따라 크게 달라지는 비가역적 특성을 보였으며, 비대칭 계수가 12에 달하는 매우 큰 효과가 나타났다. 이러한 현상은 단순한 계면 효과나 일반적인 광전류 응답만으로는 설명하기 어려운 결과이다.
이 연구에서 양범정 교수 연구팀은 제일원리 계산과 대칭성 분석을 통해 실험에서 관측된 비선형 광전류의 미시적 기원을 규명하였다. 먼저 대칭성 분석을 통해, 원래 C₃회전대칭성을 갖는 WSe₂에서는 수직 입사 조건에서 원형 광갈바닉 전류가 금지되지만, LiNbO₃의 면내 강유전 분극이 도입되면 WSe₂ 다층 구조의 대칭성이 Cs 또는 C1으로 낮아져 해당 광전류가 허용됨을 보였다. 이는 실험에서 관측된 광전류가 강유전 분극에 의해 유도된 대칭성 깨짐의 직접적인 결과임을 설명한다.
또한 제일원리 계산을 통해 강유전 분극장이 WSe₂의 에너지 밴드 구조를 재구성하고, 운동량 공간에서 Berry curvature의 분포를 강하게 비등방적으로 만든다는 사실을 확인하였다. 이러한 비등방적 Berry curvature 분포가 Berry curvature dipole을 생성하며, 이것이 실험에서 관측된 원형 광갈바닉 전류와 비가역적 광전류 응답의 핵심 원인임을 밝혔다. 본 연구에서 이론팀은 강유전 분극, 대칭성 깨짐, 밴드 재구성, Berry curvature dipole 생성, 비선형 광전류 응답 사이의 인과 관계를 체계적으로 연결한 핵심적 역할을 하였다.
이번 성과는 강유전체 분극을 이용해 반도체의 양자기하학적 성질을 능동적으로 설계할 수 있음을 보여준다. 나아가 다층 반도체에서도 Berry curvature dipole을 구현할 수 있는 새로운 원리를 제시함으로써, 비선형 광전자 소자와 양자기하 기반 기능성 소자 개발에 중요한 이론적·실험적 토대를 제공한다.
Berry curvature dipole (BCD) describes the dipole-like distribution of Berry curvature in momentum space and plays a key role for quantum geometric phenomena in nonlinear optoelectronics. Experimentally, BCD can be generated at artificially designed semiconductor heterointerfaces where rotational symmetry breaking is induced by interfacial lattice mismatch. Such a local interface symmetry breaking strategy is largely limited to the monolayer regime; however, how to induce BCD in thicker semiconductors remains challenging. Here, we demonstrate a strategy for BCD generation in semiconductors beyond the monolayer limit via ferroelectric-polarization-driven symmetry breaking in WSe2/LiNbO3 heterostructures. In contrast to the absence of circular galvanic photocurrent under normal incidence due to the C3 symmetry in WSe2, the in-plane polarization of LiNbO3 in heterostructures breaks the C3 symmetry of WSe2 multilayers into Cs or C1, and induces pronounced circular galvanic photocurrents therein. Importantly, such galvanic photocurrent is nonreciprocal to bias voltage with a giant asymmetry factor of 12. First-principles calculations reveal that the symmetry breaking and energy band reconstruction in multilayer WSe2 induced by polarization field gives rise to a strongly-anisotropic Berry curvature distribution and further generates BCD. Our results on ferroelectricity-driven BCD provide a strategy for engineering quantum geometry in nonlinear optoelectronic devices.
Authors: Yilin Zhang*, Yuting Qian*, Ganyu Chen*, Caiyu Qiu, Qizheng Sun,
Xi Deng, Wenyao Chang, Xiangyu Bi†, Bohm-Jung Yang† & Hongtao Yuan†
(*: First author, †: Corresponding author)
Publication date: 23 September 2026