[论文解读] High-mobility compensated semimetals, orbital magnetization, and umklapp scattering in bilayer graphene moire superlattices

А. Л. Шилов, Mikhail Kashchenko+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2023

Graphene research and applications参考文献 48被引用 4

一句话总结

本研究结合低能量亚太赫兹激发与磁电输运，揭示了在特定整数填充下，取向排列的双层石墨烯/hBN莫尔超晶格中存在高迁移率补偿半金属，包括在 0.25 T 下的巨磁阻 2350% 以及有效 g 因子高达 340 的强烈增强的谷能级分裂。此外，研究识别出电子-电子 umklapp 散射是主莫尔能带中限制高温电导率的主要散射机制。

ABSTRACT

Twist-controlled moire superlattices (MS) have emerged as a versatile platform in which to realize artificial systems with complex electronic spectra. Bernal-stacked bilayer graphene (BLG) and hexagonal boron nitride (hBN) form an interesting example of the MS that has recently featured a set of unexpected behaviors, such as unconventional ferroelectricity and electronic ratchet effect. Yet, the understanding of the BLG/hBN MS electronic properties has, at present, remained fairly limited. Here we develop a multi-messenger approach that combines standard magnetotransport techniques with low-energy sub-THz excitation to get insights into the properties of this MS. We show that BLG/hBN lattice alignment results in the emergence of compensated semimetals at some integer fillings of the moire bands separated by van Hove singularities where Lifshitz transition occurs. A particularly pronounced semimetal develops when 8 electrons reside in the moire unit cell, where coexisting high-mobility electron and hole systems feature a strong magnetoresistance reaching 2350 % already at B=0.25 T. Next, by measuring the THz-driven Nernst effect in remote bands, we observe valley splitting, pointing to an orbital magnetization characterized by a strongly enhanced effective g-factor of 340. Last, using THz photoresistance measurements, we show that the high-temperature conductivity of the BLG/hBN MS is limited by electron-electron umklapp processes. Our multi-facet analysis introduces THz-driven magnetotransport as a convenient tool to probe the band structure and interaction effects in vdW materials and provides a comprehension of the BLG/hBN MS.

研究动机与目标

• 理解双层石墨烯/hBN 莫尔超晶格的电子性质，特别是莫尔能带的整数填充区域。
• 研究电子-电子相互作用与散射机制在决定高温电导率中的作用。
• 通过太赫兹驱动输运测量探测拓扑磁矩与谷能级分裂的存在。
• 开发一种多信使方法，结合标准磁电输运与亚太赫兹激发，以分离电子温度效应与晶格贡献。
• 阐明在范霍夫奇点与利夫希茨相变存在下，异常磁阻与输运异常的起源。

提出的方法

• 利用低能量亚太赫兹辐射（0.13 THz）选择性加热电子系统，同时保持晶格低温，实现电子温度控制。
• 采用低噪声双调制技术，在四端子结构中测量太赫兹驱动光电阻 $ R_{\text{THz}} $，以隔离电子响应。
• 进行标准磁电输运测量，绘制纵向电阻率 $ \rho_{xx}(n) $，并识别量子振荡与平台。
• 在远端能带中进行太赫兹驱动能斯特效应测量，以探测谷能级分裂并推断轨道磁化效应。
• 结合 $ R_{\text{THz}} $ 对载流子密度 $ n $、磁场 $ B $ 与入射太赫兹功率 $ P $ 的依赖关系，区分电子-声子与电子-电子散射机制。
• 对原始双层石墨烯布里渊区的 K 点进行理论能带结构与态密度（DOS）计算，以解释实验特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在双层石墨烯/hBN 莫尔超晶格中，莫尔能带的整数填充下会涌现出哪些电子相，特别是在范霍夫奇点附近？
• RQ2 补偿半金属中电子与空穴系统的相互作用如何导致巨磁阻效应？
• RQ3 在太赫兹驱动能斯特效应中观察到的强烈增强的有效 $ g_{\mathrm{v}} $-因子的起源是什么？
• RQ4 在主莫尔能带中，主导高温电导率的散射机制是电子-声子还是电子-电子散射？
• RQ5 太赫兹驱动磁电输运在多大程度上能够分离范德华异质结构中电子温度效应与晶格贡献？

主要发现

• 在 $ n/n_0 = -8 $ 处出现一种具有共存高迁移率电子与空穴系统的补偿半金属，其在仅 0.25 T 下表现出 2350% 的巨磁阻。
• 太赫兹驱动能斯特效应揭示的谷能级分裂与有效 $ g_{\mathrm{v}} $-因子 340 一致，表明轨道磁矩显著增强。
• 在金属区域，正的 $ R_{\text{THz}} $ 随入射太赫兹功率增加而增大，归因于电子-电子 umklapp 散射，其电子温度依赖性呈类似 $ T^2 $ 的行为，得到证实。
• umklapp 散射主导主莫尔能带中的高温电导率，表现为强烈的 $ R_{\text{THz}} $ 与 $ T^2 $ 依赖性；而声子散射在 $ |n/n_0| > 8 $ 时占主导。
• 在高填充区域，$ R_{\text{THz}} $ 的抑制与弱线性 $ T $ 依赖的 $ \Delta\rho_{\text{xx}}(T) $ 相关，与本征石墨烯单层的声子限制输运一致。
• 多方面分析表明，太赫兹驱动磁电输运是探测范德华异质结构中能带结构与多体相互作用的强大工具。