[論文レビュー] Engineering Interaction Effects and Gap Opening in Graphene Superlattices

Justin C. W. Song, A. V. Shytov+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2012

Graphene research and applications被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、グラフェン/六方窒化ホウ素（h-BN）ヘテロ構造におけるチューナブルなモアレ超格子が、相互作用効果によってディラック点ギャップを強化するメカニズムを説明する多体理論を提案する。超格子の周期性を制御パラメータとして用いることで、理論はディラック点ギャップが最大で数個のオーダーも向上することを予測する。これはブラッグ散乱によるミニギャップを著しく上回り、実験的に観測された大きなチューナブルギャップの謎を解明するものである。

ABSTRACT

We develop a theory of interaction effects in graphene superlattices, where tunable superlattice periodicity can be used as a knob to control the gap at the Dirac point. Applied to graphene on hexa-boron-nitride (G/h-BN), our theory predicts substantial many-body enhancement of this gap. Tunable by the moire superlattice periodicity, a few orders of magnitude enhancement is reachable under optimal conditions. The Dirac point gap enhancement can be much larger than that of the minigaps opened by Bragg scattering at principal superlattice harmonics. This naturally explains the conundrum of large Dirac point gaps recently observed in G/h-BN heterostructures and their tunability by the G/h-BN twist angle.

研究の動機と目的

• グラフェン/h-BNヘテロ構造で観測された予想外に大きなディラック点ギャップの起源を理解すること。
• ねじれ角がモアレ超格子の周期性を制御することにより、これらのギャップがどのようにチューナブルであるかを説明すること。
• 電子間相互作用とグラフェン超格子におけるギャップ工学を結びつける理論的枠組みを確立すること。
• 超格子の高調波におけるブラッグ散乱によるギャップと、相互作用によって誘起されるディラック点ギャップ強化の違いを明確にすること。

提案手法

• チューナブルな周期性を有するグラフェン超格子における電子間相互作用の多体理論を構築する。
• 電子間相互作用を再正規化された摂動法を用いて扱い、モアレ超格子周期の関数としてディラック点ギャップをモデル化する。
• 相互作用によって誘起されるギャップ強化と、主な超格子高調波におけるブラッグ散乱によるギャップを比較する。
• モアレ周期性をチューナブルなパラメータとして用い、ギャップのスケーリング行動を予測する。
• 実験的に大きなチューナブルギャップが観測されている、ヘキサボラニルナイトライド（G/h-BN）上のグラフェンに理論を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子間相互作用は、グラフェン超格子におけるディラック点ギャップの強化にどのように寄与するか？
• RQ2 モアレ超格子の周期性は、ディラック点ギャップの大きさにどのように影響するか？
• RQ3 G/h-BNヘテロ構造におけるディラック点ギャップが、バンド構造のみから予想されるよりも著しく大きいのはなぜか？
• RQ4 相互作用によって誘起されるギャップ強化は、超格子高調波におけるブラッグ散乱によるギャップと定量的にどのように異なるか？

主な発見

• グラフェン/h-BN超格子におけるディラック点ギャップは、多体的電子間相互作用によって顕著に強化される。
• 最適な条件下では、ギャップ強化が数個のオーダーに達することがあり、これは超格子周期に依存する。
• 相互作用によって誘起されるギャップ強化は、主な超格子高調波におけるブラッグ散乱によって開かれるミニギャップを上回る。
• ねじれ角によるディラック点ギャップのチューナブル性は、モアレ周期性がねじれ角に依存することに起因し、自然に説明がつく。