[論文レビュー] Strain induced quasi-unidimensional channels in twisted moiré lattices

Andreas Sinner, Pierre A. Pantaleón+1 more|PubMed|Oct 13, 2022

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ねじれ二層ヘキサゴナル格子（例：ねじれ二層グラフェン）における一軸ひずみが、ひずみ-ねじれ相互作用を通じて擬似一次元モアレチャネルを誘発することを示している。この現象により逆空間の単位格子が収縮する。この遷移の臨界ひずみは、ねじれ角と材料固有のポisson比を含む簡単な関係式で決定され、二つの非可換周期性が支配する電子バンド構造が生じ、密度状態が特異的になる。これはハーパー型系に類似している。

ABSTRACT

We study the effects of strain in moiré systems composed of honeycomb lattices. We elucidate the formation of almost perfect one-dimensional moiré patterns in twisted bilayer systems. The formation of such patterns is a consequence of an interplay between twist and strain which gives rise to a collapse of the reciprocal space unit cell. As a criterion for such collapse we find a simple relation between the two quantities and the material specific Poisson ratio. The induced one-dimensional behavior is characterized by two, usually incommensurate, periodicities. Our results offer explanations for the complex patterns of one-dimensional channels observed in low angle twisted bilayer graphene systems and twisted bilayer dicalcogenides. Our findings can be applied to any hexagonal twisted moiré pattern and can be easily extended to other geometries.

研究の動機と目的

• ひずみを受ける低角度ねじれ二層グラフェンおよびジカルコゲニドで観測された複雑な一次元モアレパターンの起源を理解すること。
• モアレスーパーラティスが二次元から擬似一次元的挙動へと遷移する幾何学的および電子的条件を特定すること。
• ひずみを受けるねじれ二層系における一次元的性質の出現に関する一般基準を導出すること。
• 特に非可換周期性の役割を考慮して、一次元極限における電子バンド構造および状態密度を分析すること。

提案手法

• 連続体モデル近似を用いて、ねじれ二層ヘキサゴナル格子のひずみ依存の実空間および逆空間格子ベクトルを導出する。
• 一軸ひずみ下でのモアレブリユアンゾーンの変形をモデル化し、臨界ひずみで六角形から線状の形状に減少することを示す。
• 連続体ハミルトニアンアプローチを用いて、層間結合およびひずみ誘発 hopping 変更を組み込んだ電子バンドおよび状態密度を計算する。
• 逆空間単位格子の収縮が生じる臨界ひずみ条件を、ねじれ角とポisson比を含む関係式により特定する。
• 一次元極限における電子スペクトルを分析し、非可換周期性を有するハーパー方程式に類似した性質を示す。
• 数値シミュレーションを用いて、可換および非可換周期性の組み合わせにおけるバンド構造および状態密度を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ひずみを受けるねじれ二層系において、擬似一次元モアレチャネルが形成される幾何的条件は何か？
• RQ2 ねじれ角と一軸ひずみの相互作用が、逆空間単位格子の収縮をどのように誘発するか？
• RQ3 一次元的電子的挙動への遷移を引き起こす臨界ひずみ条件は何か？また、ポisson比などの材料特性にどのように依存するか？
• RQ4 二つの周期性が非可換である場合、一次元極限における電子バンドおよび状態密度はどのように変化するか？
• RQ5 一次元領域における電子構造は、どの程度ハーパー方程式に類似したモデルで記述可能か？

主な発見

• 擬似一次元モアレパターン形成のための臨界ひずみは、ねじれ角と材料のポisson比を含む簡単な関係式で決定される。
• 臨界ひずみにおいて、逆空間単位格子は線に収縮し、C6対称性からC2対称性に低下し、C3対称性によって保護されていた degeneracy が解除される。
• 一次元極限における電子バンドは、一般に非可換な二つの周期性によって支配され、サイズの異なるギャップを有する特異的状態密度を示す。
• 非可換周期性の組み合わせでは、分散的かつ拡散的電子状態が現れ、ハーパー型系の挙動と整合的である。
• 低角度ねじれ二層グラフェンにおける臨界ひずみにおける緩和効果は、平行な一次元チャネルの形成を促進し、低エネルギー状態が局在化する。
• 一次元化への遷移は、遷移金属ジ chalcogenides を含む他の六角格子ねじれモアレ系に対しても、頑健かつ一般化可能である。