[論文レビュー] Faraday rotations, ellipticity and circular dichroism in the magneto-optical spectrum of moir\'e superlattices

J. A. Crosse, Pilkyung Moon|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2021

Graphene research and applications参考文献 55被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、モーター・バイラヤー・ヘテロストラクチャー、特にねじれ双層グラフェンおよびグラフェン/hBN系を対象として、連続体モデルを用いて光学伝導度を計算することで、van der Waals ヘテロ構造の磁気光学応答を調査した。逆空間対称性の破れにより、モノレイヤーおよびバイレイヤー・グラフェンで約1°の強い円二色性およびファラデー回転が観測された。これは、バレー・トロニクスおよび光学素子への応用可能性を示唆する。

ABSTRACT

We study the magneto-optical conductivity of a number of Van der Waals heterostructures, namely, twisted bilayer graphene, AB-AB and AB-BA stacked twisted double bilayer graphene and monolayer graphene and AB-stacked bilayer graphene on hexagonal boron nitride. As magnetic field increases, the absorption spectrum exhibits a self-similar recursive pattern reflecting the fractal nature of the energy spectrum. Whilst twisted bilayer graphene displays only weak circular dichroism, monolayer graphene and AB-stacked bilayer graphene on hexagonal boron nitride show specifically strong circular dichroism, owing to strong inversion symmetry breaking properties of the hexagonal boron nitride layer. As, the left and right circularly polarized light interact with these structures differently, plane polarized incident light undergoes a Faraday rotation and gains an ellipticity when transmitted. The size of the respective angles is on the order of a degree.

研究の動機と目的

• 高磁場下におけるvan der Waalsヘテロ構造の磁気光学応答を理解すること。
• 強い円二色性およびファラデー回転が発現する条件を同定すること。
• 逆空間対称性の破れが磁気光学効果を強化する役割を明らかにすること。
• これらの材料を用いたバレー・トロニクスおよび光学素子への応用可能性を評価すること。

提案手法

• モアレ周期が大きいモアレスーパーラティスに有効な有効連続体モデルを用いた。
• 磁場下でのランダウ準位遷移を用いて磁気光学伝導度を計算した。
• 実験的不純物効果を模擬するために、物性的幅（η = 10 meV）を導入した。
• 右回りおよび左回りの伝導度の実部および虚部から、ファラデー回転および楕円率を計算した。
• KおよびK'バレーにおける光学応答を比較することで、バレー二色性を分析した。
• 数値シミュレーションを用いて、光学伝導度におけるホフスタッター準位のスペクトルをマッピングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 hBNスタックド・グラフェンにおける逆空間対称性の破れは、円二色性にどのように影響するか？
• RQ2 磁場下におけるこれらのヘテロ構造におけるファラデー回転および楕円率の大きさは何か？
• RQ3 これらの系でバレー選択的光学遷移を達成できるか？
• RQ4 ホフスタッターフラクタルスペクトルは、磁気光学伝導度にどのように現れるか？
• RQ5 三角対称歪みおよび電子・正孔非対称性は、選択則にどのように寄与するか？

主な発見

• モノレイヤーおよびバイレイヤー・グラフェンでは、逆空間対称性の破れにより強い円二色性を示した。
• 高磁場下でMLG-hBNおよびBLG-hBNにおいて、ファラデー回転および楕円率は約1°に達した。
• AB-ABスタックのねじれ二重バイレイヤー・グラフェンでは、逆空間対称性が保たれているため、弱い二色性を示した。
• BLG-hBNではMLG-hBNよりも顕著に強いバレー二色性を示し、バレー極化のための広いエネルギーや磁場範囲の利用が可能となった。
• 高磁場下における光学伝導度に、ホフスタッター準位のフラクタル性が明確に現れた。
• 選択則には|n| → |n|±1に加え、二重層系における三角対称歪みおよび電子・正孔非対称性により、|n| → |n|±3m∓1の遷移も含まれる。