Зонные колебания проводимости в затворе

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2856 (2022) Цитировать эту статью

3677 Доступов

9 цитат

17 Альтметрика

Подробности о метриках

Электроны, подвергающиеся воздействию двумерного (2D) периодического потенциала и однородного перпендикулярного магнитного поля, демонстрируют фрактальный самоподобный энергетический спектр, известный как бабочка Хофштадтера. Недавно родственные высокотемпературные квантовые колебания (осцилляции Брауна-Зака) были обнаружены в графеновых муаровых системах, причина которых заключается в повторяющемся возникновении расширенных минизон/магнитных блоховских состояний при рациональных долях магнитного потока на элементарную ячейку, приводящих к увеличению зонная проводимость. В данной работе мы сообщаем об экспериментальном наблюдении зонных колебаний проводимости в электростатически определенной и перестраиваемой затвором графеновой сверхрешетке, которые определяются как внутренней структурой бабочки Хофштадтера (осцилляции Брауна-Зака), так и соотношением соизмеримости между циклотронный радиус электронов и период сверхрешетки (осцилляции Вейсса). Мы получили полное и единое описание зонных колебаний проводимости в двумерных сверхрешетках, обеспечив детальное соответствие теории и эксперимента.

Искусственные кристаллы, реализованные с помощью муаровых сверхрешеток в гетероструктурах 2D материалов1,2,3 или путем наложения наноструктурной сверхрешетки4,5,6 на 2D электронную систему (2DES), такую ​​как графен, дают возможность изучать транспортные характеристики носителей заряда в периодическом потенциал. Под влиянием такой сверхрешетки становится возможным модифицировать зонную структуру и, следовательно, электронные свойства 2D-материалов, что приводит, например, к недавнему наблюдению сверхпроводимости в графене с магическим углом7. В перпендикулярных магнитных полях сверхрешеточные системы демонстрируют сложную магнитную зонную структуру, определяемую фрактальным энергетическим спектром бабочки Хофштадтера8, который был изучен в 2DES на основе GaAs9 и системах на основе графена при криогенных температурах10,11,12. При повышенных температурах, при выходе из режима квантования Ландау, тонкая структура энергетического спектра Хофштадтера исчезает, но сохраняется его фундаментальная скелетная структура. Наблюдались устойчивые к температуре колебания магнитопроводности, которые были названы осцилляциями Брауна-Зака (BZ)13,14 и появляются периодически по обратному магнитному потоку на элементарную ячейку решетки. Кришна Кумар и др. идентифицировал эти колебания как эффект зонной проводимости, но в основном интерпретировал их в терминах квазичастиц, находящихся в мини-зонах магнитной зонной структуры, введенной Брауном15 и Заком16, не прибегая к уровням Ландау. Хотя эта интерпретация имеет свои достоинства, о чем свидетельствует баллистический транспорт этих квазичастиц17, полное понимание BZ-колебаний возможно только в том случае, если принять во внимание зонную структуру уровней Ландау (LL) в двумерном периодическом потенциале. С этой целью мы провели эксперименты по магнитотранспорту в искусственно созданных двумерных сверхрешетках6,18, в которых периодической модуляцией потенциала можно управлять электростатическими средствами. Этот подход обеспечивает большую гибкость с точки зрения произвольной постоянной решетки, геометрии и настраиваемой силы модуляции по сравнению с муаровыми сверхрешетками. В частности, используя соответствующие напряжения на затворе, мы входим в режим слабого модуляционного потенциала, где видимость BZ-колебаний определяется соизмеримыми (вейсовскими) колебаниями. Таким образом, мы приходим к единому описанию зонных колебаний проводимости, объединяющему как осцилляции Брауна–Зака, так и колебания Вейсса (ВО). Ниже мы экспериментально и теоретически покажем, что BZ-колебания, как и WO, отражают дисперсию и внутреннюю структуру полос Ландау при температурах, значительно превышающих расстояние между полосами Ландау.

Влияние двумерной периодической модуляции в сильных магнитных полях можно понять в три этапа. Сначала мы рассматриваем спектр уровня Ландау немодулированного 2DES, затем активируем потенциал модуляции только в одном измерении, что приводит к полосам Ландау, и, наконец, включаем потенциал 2D модуляции, который дополнительно расщепляет каждую полосу Ландау в соответствии со спектром Хофштадтера. Далее квадратный двумерный потенциал сверхрешетки \(V({{{{{{{\bf{r}}}}}}})={V}_{0}(\cos (Kx)+\cos (Ky))\) с K = 2π/a, постоянной решетки a и амплитудой модуляции V0. Потенциал модуляции предполагается слабым (V0 ≪ ℏvF/lB), так что смешиванием уровней Ландау можно пренебречь (\({l}_{B}=\sqrt{\hslash /(eB)}\) — магнитный длина).