[논문 리뷰] Faraday rotations, ellipticity and circular dichroism in the magneto-optical spectrum of moir\'e superlattices

J. A. Crosse, Pilkyung Moon|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 19.

Graphene research and applications참고 문헌 55인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 연속 모델을 사용하여, 비틀어진 이중층 그래핀과 그래핀/hBN 시스템을 포함한 반데르발스 헤테로구조의 자기광학적 반응을 조사한다. 이는 이산화 대칭성의 붕괴로 인해 단일층 및 이중층 그래핀에서 약 1°의 강한 원형 이형성과 파라데이 각도를 나타내며, 이는 밸리트로닉스 및 광학 장치 응용 가능성을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고자기장 하에서 반데르발스 헤테로구조의 자기광학적 반응을 이해하기 위해.
• 강한 원형 이형성과 파라데이 각도가 나타나는 조건을 규명하기 위해.
• 이산화 대칭성의 붕괴가 자기광학 효과를 강화하는 데 미치는 역할을 탐색하기 위해.
• 이 물질들이 밸리트로닉스 및 광학 장치 응용에 실현 가능할지 평가하기 위해.

제안 방법

• 큰 모리 주기의 모리 초격자에 대해 유효한 연속 모델을 사용하였다.
• 자기장 존재 하에서 랑주 수준 전이를 사용하여 자기광학 전도도를 계산하였다.
• 실험적 불순물 효과를 시뮬레이션하기 위해 현상학적 넓힘(η = 10 meV)을 적용하였다.
• 오른쪽 및 왼쪽 원형 전도도의 실수부와 허수부로부터 파라데이 각도와 타원도를 계산하였다.
• K 및 K' 밸리에서의 광학적 반응을 비교하여 밸리 이형성을 분석하였다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 광학 전도도에서 호프스타터 스펙트럼을 맵핑하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 hBN 스택킹 그래핀에서의 이산화 대칭성 붕괴는 원형 이형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이 헤테로구조에서 고자기장 하에서 파라데이 각도와 타원도의 크기는 얼마인가?
• RQ3 이 시스템에서 밸리 선택적 광학 전이를 달성할 수 있는가?
• RQ4 호프스타터 프랙탈 스펙트럼은 자기광학 전도도에 어떻게 나타나는가?
• RQ5 삼각 대칭 왜곡과 전자-정공 비대칭성은 선택 규칙에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 단일층 및 이중층 그래핀은 이산화 대칭성 붕괴로 인해 강한 원형 이형성을 나타낸다.
• 고자기장 하에서 MLG-hBN 및 BLG-hBN에서 파라데이 각도와 타원도는 약 1°에 도달한다.
• AB-AB 스택킹 비틀어진 이중이중층 그래핀은 이산화 대칭성이 유지되어 약한 이형성을 보인다.
• BLG-hBN에서는 MLG-hBN보다 밸리 이형성이 현저히 강해져 더 넓은 에너지 및 자기장 범위에서 밸리 극화를 가능하게 한다.
• 고자기장 하에서 광학 전도도에 나타나는 호프스타터 스펙트럼의 프랙탈 특성이 뚜렷하게 관찰된다.
• 선택 규칙로는 |n| → |n|±1에 더해, 삼각 대칭 왜곡과 이중층 시스템의 전자-정공 비대칭성으로 인한 추가적인 |n| → |n|±3m∓1 전이가 포함된다.