[论文解读] Incommensurability-induced sub-ballistic narrow-band-states in twisted bilayer graphene

Miguel Gonçalves, Hadi Z. Olyaei+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2020

Graphene research and applications参考文献 87被引用 28

一句话总结

本研究利用数值精确方法，揭示了在魔角附近非共格扭曲双层石墨烯中的亚弹道电子态。与共格角度下的弹道态不同，这些态表现出非泊松分布的能级统计特性，并且电导随系统尺寸增大而减小，表明尽管能带宽度很窄，仍存在局域化现象——凸显了非共格性在准确建模魔角扭曲双层石墨烯中的关键作用。

ABSTRACT

We study the localization properties of electrons in incommensurate twisted bilayer graphene for small angles, encompassing the narrow-band regime, by numerically exact means. Sub-ballistic states are found within the narrow-band region around the magic angle. Such states are delocalized in momentum-space and follow non-Poissonian level statistics, in contrast with their ballistic counterparts found for close commensurate angles. Transport results corroborate this picture: for large enough systems, the conductance decreases with system size for incommensurate angles within the sub-ballistic regime. Our results show that incommensurability effects are of crucial importance in the narrow-band regime. The incommensurate nature of a general twist angle must therefore be taken into account for an accurate description of magic-angle twisted bilayer graphene.

研究动机与目标

• 研究在小扭转角下非共格扭曲双层石墨烯中电子的局域化特性。
• 理解非共格性如何影响魔角附近窄带区的电子态。
• 确定非共格系统中的输运行为是否与理想共格构型存在根本性差异。
• 评估非共格性在实现或抑制扭曲双层石墨烯中亚弹道输运中的作用。

提出的方法

• 采用数值精确对角化技术求解非共格扭曲双层石墨烯的紧束缚哈密顿量。
• 通过分析能级统计特性来区分弹道态与局域态，重点关注对泊松统计的偏离。
• 利用非平衡格林函数方法计算大系统中的电导，以探测输运局域化行为。
• 聚焦于魔角附近的窄带区域，以隔离亚弹道行为。
• 将非共格与共格扭转角度的结果进行对比，以分离非共格性的影响。
• 采用动量空间局域化分析来表征亚弹道态的非局域特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在魔角附近，非共格扭曲双层石墨烯中电子的局域化特性与共格系统相比有何不同？
• RQ2 当存在非共格性时，窄带区的电子态具有何种特性？
• RQ3 在非共格扭曲双层石墨烯中，亚弹道态是否表现出类似其他无序系统中的非泊松能级统计？
• RQ4 在亚弹道区，非共格构型中的电导如何随系统尺寸变化？
• RQ5 与理想化的共格模型相比，非共格性在多大程度上改变了输运与局域化行为？

主要发现

• 在非共格扭曲双层石墨烯的魔角附近窄带区识别出亚弹道电子态。
• 这些亚弹道态在动量空间中呈非局域化，与无序系统中的局域态形成鲜明对比。
• 这些态表现出非泊松能级统计，表明其行为偏离典型的弹道或局域化行为。
• 在非共格构型中，电导随系统尺寸增大而减小，表明尽管能带宽度很窄，仍存在局域化现象。
• 发现非共格性是决定电子行为的关键因素，使基于共格近似的假设失效。
• 结果表明，为准确建模魔角扭曲双层石墨烯，必须显式包含一般扭转角的非共格特性。