[论文解读] Mirror Symmetry Breaking and Stacking-Shift Dependence in Twisted Trilayer Graphene

Chao Lei, Lukas Linhart+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2020

Graphene research and applications被引用 2

一句话总结

本研究利用从第一性原理密度泛函理论计算获得的数据，为扭曲三原子层石墨烯构建了连续体模型，以研究顶层层的横向位移和外加电场如何破坏镜像对称性和C₃v对称性，从而导致电子结构发生显著变化。关键发现是，镜像对称性的破坏会引致阿肯贝克德权重和弱场霍尔电导率的可测量变化，揭示了可调控的电子响应，这对二维异质结构中的关联态和量子输运至关重要。

ABSTRACT

We construct a continuum model of twisted trilayer graphene devices using information from {\it ab-initio} density-functional theory calculations and apply it to address electronic structure and transport properties. When the middle layer of an ABA Bernal stacked graphene trilayer is twisted, its important mirror symmetry is retained. The mirror symmetry, which decouples states with even and odd parity under reflection in the plane of the middle-layer, is however lost when the top layer is then shifted laterally relative to the bottom layer, and when a gate electric field is applied. We study the influence of top-layer lateral shifts, which break both mirror and C$_{3v}$ symmetry, on electronic structure, using the Drude weight and the weak-field Hall conductivity as experimentally relevant electronic structure characteristics.

研究动机与目标

• 理解当顶层层的横向位移和栅极电场破坏镜像对称性和C₃v对称性时，扭曲三原子层石墨烯的电子结构。
• 确定对称性破缺如何影响实验可测的电子响应，如阿肯贝克德权重和霍尔电导率。
• 建立基于第一性原理数据的连续体模型，以准确描述扭曲三原子层系统中的电子性质。
• 探讨堆叠构型和电场在实现对称性破缺电子态中的作用。
• 为解释扭曲三原子层石墨烯器件中的输运测量结果提供理论框架。

提出的方法

• 利用从第一性原理密度泛函理论计算获得的输入，构建扭曲三原子层石墨烯的连续体有效哈密顿量。
• 显式地引入顶层层横向位移和外加栅极电场的影响，以破坏镜像对称性和C₃v对称性。
• 使用连续体模型计算阿肯贝克德权重和弱场霍尔电导率，作为关键的电子结构可观测量。
• 通过跟踪不同堆叠构型下电子能带和响应函数的演化，分析对称性破缺。
• 采用基于对称性的分析方法，识别宇称和旋转不变性在决定输运性质中的作用。
• 通过将计算得到的响应函数与扭曲三原子层系统中预期的实验趋势进行比较，验证模型的预测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 顶层层的横向位移如何影响ABA堆叠的三原子层石墨烯中的镜像对称性？
• RQ2 顶层层位移与栅极电场的组合在多大程度上破坏了扭曲三原子层石墨烯中的C₃v对称性？
• RQ3 镜像对称性破缺和C₃v对称性降低如何影响电子响应中的阿肯贝克德权重？
• RQ4 堆叠位移依赖的对称性破缺对弱场霍尔电导率有何影响？
• RQ5 该连续体模型能否准确预测在对称性破缺条件下实验可测的电子响应？

主要发现

• 在扭曲三原子层石墨烯中，顶层层的横向位移会破坏镜像对称性，而该对称性在未扭曲的对称情况下得以保持。
• 施加栅极电场会进一步抑制镜像对称性，导致偶宇称态与奇宇称态之间发生耦合。
• C₃v对称性同时被顶层层横向位移和电场破坏，导致电子响应呈现各向异性。
• 阿肯贝克德权重对堆叠构型表现出强烈依赖性，表明载流子动力学具有可调谐性。
• 弱场霍尔电导率对对称性破缺参数表现出敏感性，表明在输运测量中可检测到显著信号。
• 连续体模型成功捕捉了对称性破缺对电子结构的影响，为实验验证提供了可预测的理论框架。