[論文レビュー] High-mobility compensated semimetals, orbital magnetization, and umklapp scattering in bilayer graphene moire superlattices

А. Л. Шилов, Mikhail Kashchenko+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2023

Graphene research and applications参考文献 48被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、低エネルギーのサブTHz励起と磁気輸送を組み合わせることで、整列した二層グラフェン/hBNモアレスーパーラティスが特定の整数充填状態で高移動度の補償半金属を示すことを明らかにした。特に、0.25 Tで2350%の巨大磁気抵抗と、有効g因子が340に著しく増大したバルクスプリッティングを観測した。さらに、高温度における高導電率を制限する主要な散乱機構として、電子間Umklapp散乱を同定した。

ABSTRACT

Twist-controlled moire superlattices (MS) have emerged as a versatile platform in which to realize artificial systems with complex electronic spectra. Bernal-stacked bilayer graphene (BLG) and hexagonal boron nitride (hBN) form an interesting example of the MS that has recently featured a set of unexpected behaviors, such as unconventional ferroelectricity and electronic ratchet effect. Yet, the understanding of the BLG/hBN MS electronic properties has, at present, remained fairly limited. Here we develop a multi-messenger approach that combines standard magnetotransport techniques with low-energy sub-THz excitation to get insights into the properties of this MS. We show that BLG/hBN lattice alignment results in the emergence of compensated semimetals at some integer fillings of the moire bands separated by van Hove singularities where Lifshitz transition occurs. A particularly pronounced semimetal develops when 8 electrons reside in the moire unit cell, where coexisting high-mobility electron and hole systems feature a strong magnetoresistance reaching 2350 % already at B=0.25 T. Next, by measuring the THz-driven Nernst effect in remote bands, we observe valley splitting, pointing to an orbital magnetization characterized by a strongly enhanced effective g-factor of 340. Last, using THz photoresistance measurements, we show that the high-temperature conductivity of the BLG/hBN MS is limited by electron-electron umklapp processes. Our multi-facet analysis introduces THz-driven magnetotransport as a convenient tool to probe the band structure and interaction effects in vdW materials and provides a comprehension of the BLG/hBN MS.

研究の動機と目的

• 二層グラフェン/hBNモアレスーパーラティスの電子的性質、特にモアレバンドの整数充填状態における性質を理解すること。
• 電子間相互作用および散乱機構が高温度における導電率を決定するメカニズムを調査すること。
• THz駆動輸送測定を用いて、トポロジカル磁気モーメントおよびバルクスプリッティングの存在を調べること。
• 標準的磁気輸送とサブTHz励起を組み合わせたマルチメッセンジャーメソッドを構築し、電子温度効果と格子寄与を分離すること。
• van Hove特異性およびLifshitz遷移の存在下での異常磁気抵抗および輸送異常現象の起源を特定すること。

提案手法

• 低エネルギーのサブTHz放射（0.13 THz）を用い、格子を冷たい状態に保ちながら電子系を選択的に加熱することで、電子温度を制御した。
• 低ノイズ二重変調法を用いた四端子配置で、THz駆動光抵抗 $ R_{\text{THz}} $ を測定し、電子的応答を分離した。
• 縦方抵抗率 $ \rho_{xx}(n) $ のマップ作成と量子揺らぎおよびプラトーの同定を目的とした標準的磁気輸送測定を実施した。
• リモートバンドにおけるTHz駆動Nernst効果測定を用い、バルクスプリッティングを検出し、軌道磁気モーメント効果を推定した。
• $ R_{\text{THz}} $ がキャリア密度 $ n $、磁場 $ B $、入射THzパワー $ P $ に依存する関係を用いて、電子-フォノン散乱と電子-電子散乱のメカニズムを区別した。
• 元のBLGブリユアンゾーンのK点における理論的バンド構造および状態密度（DOS）計算を実施し、実験的特徴を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二層グラフェン/hBNモアレスーパーラティスのモアレバンドにおける整数充填状態、特にvan Hove特異性付近にどのような電子的相が出現するか？
• RQ2 補償半金属における電子系とホール系の相互作用が、巨大磁気抵抗効果をどのように引き起こすか？
• RQ3 THz駆動Nernst効果で観測された強力に増大した有効 $ g_{\mathrm{v}} $-因子の起源は何か？
• RQ4 高温度におけるメインモアレバンドの導電率を制限する主要な散乱機構は、電子-フォノン散乱か電子-電子散乱か？
• RQ5 THz駆動磁気輸送は、van der Waalsヘテロ構造において電子温度効果と格子寄与をどの程度分離できるか？

主な発見

• $ n/n_0 = -8 $ で、高移動度の電子系とホール系を共に有する補償半金属が出現し、わずか0.25 Tで2350%の巨大磁気抵抗を示した。
• THz駆動Nernst効果により、有効 $ g_{\mathrm{v}} $-因子が340に相当するバルクスプリッティングが観測され、著しく増大した軌道磁気モーメントを示唆した。
• 金属的領域における正の $ R_{\text{THz}} $ は入射THzパワーに比例し、電子-電子Umklapp散乱に起因するとされ、電子温度依存性の $ T^2 $-類似スケーリングによって裏付けられた。
• Umklapp散乱がメインモアレバンドにおける高温度導電率を支配しており、$ R_{\text{THz}} $ の強さと $ T^2 $-スケーリングがその証拠となった。一方、$ |n/n_0| > 8 $ ではフォノン散乱が支配的であった。
• 高充填状態における $ R_{\text{THz}} $ の抑制は、弱い線形 $ T $ 依存性 $ \Delta\rho_{\text{xx}}(T) $ と相関しており、純粋なモノレイヤーグラフェンに類似したフォノン制限輸送と整合的であった。
• 多面的解析により、THz駆動磁気輸送がvan der Waalsヘテロ構造におけるバンド構造および多体相互作用をプローブする強力なツールであることが示された。