[论文解读] Floquet engineering and non-equilibrium topological maps in twisted trilayer graphene

I. A. Assi, J. P. F. LeBlanc+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2021

Graphene research and applications参考文献 98被引用 23

一句话总结

本文研究了在圆偏振光和波导入射纵向光作用下的扭曲三重石墨烯（TTG）中的弗洛凯工程，推导出有效的时间无关哈密顿量，以分析光致能带平坦化、带隙打开及拓扑相变。主要贡献在于发现了不同的陈数图谱与可调谐的魔角，其中ABC堆叠的TTG在圆偏振光下表现出手性依赖的拓扑相，提出通过光学电导率测量来实验探测这些差异。

ABSTRACT

Motivated by the recent experimental realization of twisted trilayer graphene and the observed superconductivity that is associated with its flat bands at specific angles, we study trilayer graphene under the influence of different forms of light in the non-interacting limit. Specifically, we study four different types of stacking configurations with a single twisted layer. In all four cases, we study the impact of circularly polarized light and longitudinal light coming from a waveguide. We derive effective time-independent Floquet Hamiltonians and review light-induced changes to the band structure. For circularly polarized light, we find band flattening effects as well as band gap openings. We emphasize that there is a rich band topology, which we summarize in Chern number maps that are different for all four studied lattice configurations. The case of a so-called ABC stacking with top layer twist is especially rich and shows a different phase diagram depending on the handedness of the circularly polarized light. Consequently, we propose an experiment where this difference in typologies could be captured via optical conductivity measurements. In contrast for the case of longitudinal light that is coming from a waveguide, we find that the band structure is very closely related to the equilibrium one but the magic angles can be tuned in-situ by varying the intensity of the incident beam of light.

研究动机与目标

• 探索在周期性光辐照下扭曲三重石墨烯（TTG）中的非平衡拓扑相。
• 研究不同堆叠构型（ABC、AAA、ABA等）对圆偏振光和波导入射纵向光的响应。
• 推导适用于计算高效分析光致能带结构调制的有效时间无关弗洛凯哈密顿量。
• 在参数空间中绘制六个中心能带的陈数并识别拓扑相变。
• 提出通过光学电导率测量来区分ABC堆叠TTG中左旋与右旋圆偏振光诱导的拓扑相的实验验证方法。

提出的方法

• 应用时间依赖弗洛凯理论的形式体系，推导TTG在周期性光辐照下的有效时间无关哈密顿量。
• 该模型采用受限的紧束缚哈密顿量，其层间跃迁参数由扭转角和层堆叠构型调节。
• 通过佩尔斯替换引入圆偏振光（使用矢势），而波导入射的纵向光则建模为空间变化的电场。
• 利用福井-幡郡-铃木方法在离散化的布里渊区上数值计算陈数，以表征能带拓扑。
• 利用弗洛凯微扰理论推导有效哈密顿量，以捕捉光致能带平坦化与带隙打开效应。
• 在多种堆叠构型和光偏振态下分析能带结构与拓扑不变量。

实验结果

研究问题

• RQ1 圆偏振光如何改变不同堆叠构型下扭曲三重石墨烯的能带结构与拓扑特性？
• RQ2 在圆偏振光作用下，TTG中六个中心能带的陈数图谱有何不同？其与堆叠方式及光的手性有何依赖关系？
• RQ3 来自波导的纵向光能否调节TTG中平坦能带出现的魔角？
• RQ4 在圆偏振光作用下，TTG中光致能带平坦化与带隙打开的机制是什么？
• RQ5 光学电导率测量如何区分ABC堆叠TTG中左旋与右旋圆偏振光诱导的拓扑相？

主要发现

• 圆偏振光在所有四种TTG堆叠构型中均诱导出能带平坦化与带隙打开，其中ABC堆叠TTG（顶层扭转）表现出最复杂的拓扑响应。
• 在ABC堆叠TTG（顶层扭转）中，六个中心能带的陈数图谱表现出依赖于圆偏振光手性的显著相图差异。
• 对于ABC堆叠TTG，左旋与右旋圆偏振光产生拓扑上不同的相，可通过光学电导率测量进行探测。
• 来自波导的纵向光保持了平衡态能带结构的拓扑特性，但可通过调节光强实现对魔角的原位调控。
• 有效的时间无关弗洛凯哈密顿量能准确捕捉光致能带调制，从而实现拓扑不变量与能带结构演化的高效计算。
• 本研究揭示，TTG中光致拓扑特性对堆叠顺序与偏振手性高度敏感，为莫尔材料中的拓扑调控开辟了新途径。