[论文解读] Current Partition and Conducting Topological Networks in Twisted Graphene Bilayer

Tao Hou, Yafei Ren+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2019

Graphene research and applications被引用 2

一句话总结

本研究研究了扭曲双层石墨烯中拓扑畴壁网络的电子输运特性，表明由于谷陈数差异，这些畴壁在电荷中性点附近可支持稳健的、量子化的边缘态。该系统在畴壁上表现出半金属狄拉克色散，锯齿形边缘的纳米带中出现量子化电导，且在弱 disorder 下保持稳定，为低功耗拓扑器件提供了可行路径。

ABSTRACT

We study the electronic and transport properties of a network of domain walls between insulating domains with opposite valley Chern numbers. We find that the network is semi-metallic with Dirac dispersion near the charge neutrality point and the corresponding electronic states distribute along the domain walls. Near the charge neutrality point, we find quantized conductance in nanoribbon with sawtooth domain wall edges that propagates along the boundaries and is robust against weak disorder. For a trident edged ribbon, we find a small energy gap due to the finite size effect making the nanoribbon an insulator. When the Fermi energy is away from charge neutrality point, all domain walls contribute to the conduction of current. Our results provide a comprehensive analysis of the electronic transport properties in a topological domain wall network that not only agrees qualitatively with experiments on marginally twisted bilayer graphene under a perpendicular electric field, but also can provide useful insights for designing low-power topological quantum devices.

研究动机与目标

• 理解扭曲双层石墨烯中具有相反谷陈数的绝缘区域之间畴壁网络的电子与输运特性。
• 研究拓扑保护与边缘态如何影响不同边缘结构的纳米带几何中电导行为。
• 确定有限尺寸效应与费米能级调控对这类畴壁网络电子行为的影响。
• 提供一个理论框架，以解释在垂直电场下微调扭曲双层石墨烯中的实验观测。
• 探索此类系统在设计低功耗拓扑量子器件方面的潜力。

提出的方法

• 使用连续有效哈密顿量建模具有相反谷陈数区域分隔的畴壁的扭曲双层石墨烯电子结构。
• 分析电荷中性点附近的能带结构，以识别类似狄拉克的色散关系及沿畴壁的边缘态局域化。
• 利用紧束缚法或 Landauer-Büttiker 形式主义模拟锯齿形和三叉戟形边缘畴壁的纳米带输运特性。
• 在弱 disorder 条件下评估电导量子化，以检验边缘态的鲁棒性。
• 评估有限尺寸对三叉戟形边缘纳米带能隙的影响，特别是靠近电荷中性点时。
• 将理论预测与在垂直电场下微调扭曲双层石墨烯中的实验观测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 扭曲双层石墨烯中的拓扑畴壁如何支持电子态？其在电荷中性点附近的色散关系是什么？
• RQ2 锯齿形边缘畴壁的纳米带中电导行为如何？其对弱 disorder 的鲁棒性如何？
• RQ3 为何三叉戟形边缘的纳米带表现出小能隙？有限尺寸如何影响其绝缘行为？
• RQ4 当费米能级偏离电荷中性点时，畴壁对导电的贡献如何变化？
• RQ5 理论预测与在垂直电场下微调扭曲双层石墨烯的实验数据在多大程度上一致？

主要发现

• 畴壁网络在电荷中性点附近表现出半金属行为，具有类似狄拉克的色散关系，且电子态局域在畴壁上。
• 在锯齿形边缘的纳米带中，观察到量子化电导，且在弱 disorder 下保持稳定，表明存在拓扑保护的输运。
• 由于有限尺寸效应，三叉戟形边缘的纳米带形成小能隙，尽管畴壁具有拓扑特性，该结构仍转变为绝缘体。
• 当偏离电荷中性点时，所有畴壁均参与电流传导，表明输运从边缘主导向体态输运转变。
• 理论模型定性再现了在垂直电场下微调扭曲双层石墨烯中的实验观测。
• 研究结果表明，通过工程设计的扭曲双层石墨烯畴壁网络可作为低功耗拓扑量子器件的平台。