ゲート内のバンド伝導率振動

Nature Communications volume 13、記事番号: 2856 (2022) この記事を引用

3677 アクセス

9 引用

17 オルトメトリック

メトリクスの詳細

二次元 (2D) 周期ポテンシャルと均一な垂直磁場にさらされた電子は、ホフスタッター蝶として知られるフラクタルな自己相似エネルギー スペクトルを示します。 最近、関連する高温量子振動 (ブラウン ザック振動) がグラフェン モアレ系で発見されました。その起源は、単位格子あたりの磁束の有理数分数で拡張ミニバンド/磁性ブロッホ状態が繰り返し発生し、磁束の増加を引き起こすことにあります。バンド伝導率。 この研究では、静電的に定義されゲート調整可能なグラフェン超格子におけるバンド伝導度振動の実験的観察について報告します。この振動は、ホフスタッター蝶の内部構造（ブラウンザック振動）と、それらの間の可均衡関係の両方によって支配されます。電子のサイクロトロン半径と超格子周期（ワイス振動）。 二次元超格子におけるバンド伝導度振動の完全かつ統一された記述が得られ、理論と実験の詳細な一致が得られます。

2D 材料のヘテロ構造におけるモアレ超格子によって実現される 1、2、3、またはグラフェンのような 2D 電子系 (2DES) にナノパターン化された超格子を課すことによって実現される人工結晶は、周期的な電荷キャリアの輸送特性を研究する機会を提供します。潜在的。 このような超格子の影響下で、バンド構造、ひいては 2D 材料の電子特性を変更することが可能になり、たとえば最近のマジックアングルグラフェンにおける超伝導の観察につながります 7。 垂直磁場では、超格子系はフラクタル ホフスタッター バタフライ エネルギー スペクトル 8 によって与えられる複雑な磁気バンド構造を示します。これは、極低温で GaAs ベースの 2DES9 およびグラフェンベースのシステムで研究されました 10、11、12。 高温では、ランダウ量子化の領域を離れると、ホフスタッター エネルギー スペクトルの微細構造は消失しますが、その基本的な骨格構造は残ります。 ブラウンザック（BZ）振動 13,14 と名付けられた、温度に強い磁気伝導振動が観察され、格子の単位格子あたりの逆磁束に周期的に現れます。 クリシュナ・クマールら。 は、これらの振動をバンド伝導率効果として特定しましたが、ランダウ準位に頼ることなく、主に Brown15 と Zak16 によって導入された磁気バンド構造のミニバンドに存在する準粒子の観点から解釈しました。 この解釈には利点がありますが、これらの準粒子の弾道輸送によって証明されるように 17、BZ 振動の完全な理解は、2D 周期ポテンシャルにおけるランダウ準位 (LL) のバンド構造が考慮される場合にのみ可能です。 この目的を達成するために、我々は、人工的に作成された 2D 超格子 6,18 で磁気輸送実験を実行しました。この超格子では、静電手段によって周期的な電位変調を制御できます。 このアプローチでは、モアレ超格子と比較して、任意の格子定数、幾何学形状、調整可能な変調強度の点でより高い柔軟性が得られます。 特に、適切なゲート電圧を使用すると、BZ 振動の可視性がコメンシュアビリティ (Weiss) 振動によって支配される、弱い変調ポテンシャルの領域に入ります。 したがって、ブラウンザック振動とワイス振動（WO）の両方を組み合わせたバンド伝導度振動の統一された説明に到達しました。 以下に、BZ 振動と WO が、ランダウ バンド分離よりもはるかに大きな温度でのランダウ バンドの分散と内部構造を反映していることを実験的および理論的に示します。

高磁場における 2D 周期変調の影響は、3 つのステップで理解できます。 まず、変調されていない 2DES のランダウ レベル スペクトルを考慮し、次に 1 次元のみで変調ポテンシャルをアクティブにしてランダウ バンドを導き、最後に 2D 変調ポテンシャルをオンにして、ホフスタッター スペクトルに従って各ランダウ バンドをさらに分割します。 以下では、正方 2 次元超格子ポテンシャル \(V({{{{{{\bf{r}}}}}}})={V}_{0}(\cos (Kx)+\cos (Ky))\)、K = 2π/a、格子定数 a、変調振幅 V0 を考慮します。 変調ポテンシャルは弱い (V0 ≪ ℏvF/lB) と仮定され、ランダウ準位の混合は無視できます (\({l}_{B}=\sqrt{\hslash /(eB)}\)。長さ）。