[论文解读] Band structure topology and Landau level spectrum for electrons in strained bilayer graphene

Marcin Mucha‐Kruczyński, I. L. Aleǐner+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2011

Graphene research and applications被引用 1

一句话总结

本文展示了机械应变可使双层石墨烯中的能带发生拓扑Lifshitz转变，将抛物线能带分裂为多个在几毫电子伏能量尺度下的狄拉克锥。这种拓扑重构显著改变了朗道能级谱和量子霍尔效应，揭示了通过应变工程调控电子拓扑的潜力。

ABSTRACT

We show that topology of the low-energy band structure in bilayer graphene critically depends on mechanical deformations of the crystal which may easily develop in suspended graphene flakes. We describe the Lifshitz transition that takes place in strained bilayers upon splitting the parabollic bands at intermediate energies into several Dirac cones at the energy scale of few meV. Then, we show how this affects the electron Landau level spectra and the quantum Hall effect.

研究动机与目标

• 研究机械应变如何改变双层石墨烯低能能带结构的拓扑特性。
• 确定应变双层石墨烯中发生Lifshitz转变的条件。
• 分析朗道能级谱的变化及其对量子霍尔效应的影响。

提出的方法

• 使用连续弹性理论建模双层石墨烯在机械应变下的低能电子能带结构。
• 施加应变诱导的势能以打破对称性，将抛物线能带分裂为多个狄拉克锥。
• 计算在应变诱导的能带拓扑变化下朗道能级谱的分布。
• 采用有效哈密顿量方法描述在K和K'点附近出现的狄拉克锥及其色散关系。
• 通过追踪修改后能带结构中的朗道能级量子化，分析量子霍尔效应响应。
• 通过能量尺度分析（几毫电子伏）识别拓扑转变的临界应变阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 机械应变如何在双层石墨烯的能带结构中诱导拓扑Lifshitz转变？
• RQ2 在应变作用下，抛物线能带在何种能量尺度分裂为多个狄拉克锥？
• RQ3 朗道能级谱如何响应应变诱导的拓扑变化而演化？
• RQ4 该转变在量子霍尔效应中的可观测特征是什么？
• RQ5 是否可利用应变工程实现双层石墨烯中可调的拓扑相？

主要发现

• 机械应变诱导Lifshitz转变，使双层石墨烯的抛物线能带在几毫电子伏能量尺度下分裂为多个狄拉克锥。
• 多个狄拉克锥的出现与应变下能带结构的拓扑重构直接相关。
• 由于能带拓扑的改变，朗道能级谱发生显著重组，偏离传统的单层石墨烯型谱。
• 量子霍尔效应受到强烈影响，出现新的平台和修改后的量子化模式，源于应变诱导的拓扑相变。
• 该转变可通过应变调控，实现对低能区域电子拓扑和朗道能级结构的控制。