[论文解读] Faraday rotations, ellipticity and circular dichroism in the magneto-optical spectrum of moir\'e superlattices
本研究利用连续模型计算光学电导率，研究了范德华异质结（包括扭曲双层石墨烯和石墨烯/hBN体系）的磁光响应。结果表明，由于破坏了反演对称性，单层和双层石墨烯在六方氮化硼上的体系表现出强烈的圆二色性以及约1°的法拉第旋转，为谷电子学和光学器件应用提供了可能。
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.
研究动机与目标
- 理解高磁场下范德华异质结的磁光响应。
- 识别强圆二色性和法拉第旋转出现的条件。
- 探讨反演对称性破缺在增强磁光效应中的作用。
- 评估这些材料在谷电子学和光学器件应用中的可行性。
提出的方法
- 采用适用于大摩尔周期摩尔超晶格的有效连续模型。
- 在磁场存在下，通过朗道能级跃迁计算磁光电导率。
- 应用现象学展宽（η = 10 meV）以模拟实验中的无序效应。
- 从右旋和左旋电导率的实部与虚部计算法拉第旋转和椭圆率。
- 通过比较K和K'谷的光学响应分析谷二色性。
- 使用数值模拟绘制光学电导率中的霍夫施塔特谱。
实验结果
研究问题
- RQ1hBN堆叠的石墨烯中反演对称性破缺如何影响圆二色性？
- RQ2在磁场作用下，这些异质结中的法拉第旋转和椭圆率大小如何？
- RQ3能否在这些体系中实现谷选择性光学跃迁？
- RQ4霍夫施塔特分形谱如何在磁光电导率中体现？
- RQ5三角形形变和电子-空穴不对称性在选择规则中起什么作用？
主要发现
- 单层和双层石墨烯在六方氮化硼上由于反演对称性破缺而表现出强烈的圆二色性。
- 在高磁场下，MLG-hBN和BLG-hBN中的法拉第旋转和椭圆率均达到约1°。
- AB-AB堆叠的扭曲双层石墨烯由于保持了反演对称性，表现出微弱的二色性。
- 与MLG-hBN相比，BLG-hBN中的谷二色性显著更强，从而为谷极化提供了更宽的能量和磁场范围。
- 在高磁场下，霍夫施塔特谱的分形特性在光学电导率中清晰可见。
- 选择规则包括 |n| → |n|±1，以及由于双层体系中三角形形变和电子-空穴不对称性导致的额外 |n| → |n|±3m∓1 跃迁。
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