[論文レビュー] Band structure topology and Landau level spectrum for electrons in strained bilayer graphene

Marcin Mucha‐Kruczyński, I. L. Aleǐner+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2011

Graphene research and applications被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、二層グラフェンにおける機械的ひずみが、数meVのエネルギースケールで放物型バンドを複数のディラック・コンウを形成するトポロジカル・リフシッツ遷移を引き起こすことを示している。このトポロジカルな再構成は、ランダウ準位スペクトルおよび量子ホール効果を顕著に変化させ、ひずみ工学による電子的トポロジーのチューニングが可能であることを明らかにする。

ABSTRACT

We show that topology of the low-energy band structure in bilayer graphene critically depends on mechanical deformations of the crystal which may easily develop in suspended graphene flakes. We describe the Lifshitz transition that takes place in strained bilayers upon splitting the parabollic bands at intermediate energies into several Dirac cones at the energy scale of few meV. Then, we show how this affects the electron Landau level spectra and the quantum Hall effect.

研究の動機と目的

• 機械的ひずみが二層グラフェンの低エネルギーバンド構造のトポロジカル性質に与える影響を調査すること。
• ひずみをかけた二層グラフェンでリフシッツ遷移が発生する条件を特定すること。
• ランダウ準位スペクトルの変化とその量子ホール効果への影響を分析すること。

提案手法

• 連続体力学理論を用いて、機械的ひずみを受ける二層グラフェンの低エネルギー電子バンド構造をモデル化すること。
• 対称性を破るひずみ誘起ポテンシャルを導入し、放物型バンドを複数のディラック・コンウに分割すること。
• バンドトポロジーの変化に伴うひずみの存在下でのランダウ準位スペクトルを計算すること。
• 有効ハミルトニアン的手法を用いて、KおよびK'点近くの出現するディラック・コンウとその分散を記述すること。
• 修正されたバンド構造におけるランダウ準位の量子化を追跡することで、量子ホール効果の応答を分析すること。
• 数meVのエネルギースケールを用いたエネルギースケール解析により、トポロジカル遷移の臨界ひずみ閾値を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械的ひずみは、二層グラフェンのバンド構造にどのようにトポロジカル・リフシッツ遷移を引き起こすか？
• RQ2 ひずみ下で放物型バンドが複数のディラック・コンウに分裂するエネルギースケールは何か？
• RQ3 ひずみ誘起トポロジカル変化に伴い、ランダウ準位スペクトルはどのように変化するか？
• RQ4 この遷移の観測可能なシグナチャーは、量子ホール効果においてどのように現れるか？
• RQ5 ひずみを用いて、二層グラフェンにおけるチューナブルなトポロジカル相を設計可能か？

主な発見

• 機械的ひずみは、数meVのエネルギースケールで二層グラフェンの放物型バンドを複数のディラック・コンウに分裂させるリフシッツ遷移を誘発する。
• 複数のディラック・コンウの出現は、ひずみ下でのバンド構造のトポロジカル再構成と直接関連している。
• 修正されたバンドトポロジーに起因し、ランダウ準位スペクトルは従来のモノレイヤー型スペクトルとは著しく異なる再編成を示す。
• 量子ホール効果は強く影響を受けており、ひずみ誘起トポロジカル相に起因する新しいプラトーと修正された量子化パターンが出現する。
• 遷移はひずみによってチューニング可能であり、低エネルギー領域における電子的トポロジーおよびランダウ準位構造の制御が可能となる。