[论文解读] Landau quantization in buckled monolayer GaAs

Hsien-Ching Chung, Chih Wei Chiuy+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2017

Quantum and electron transport phenomena参考文献 82被引用 3

一句话总结

本研究利用包含自旋-轨道耦合、多轨道成键、电场和磁场的广义紧束缚模型，研究了荷电单层GaAs中的朗道能级量化。研究揭示了三组具有线性磁场依赖性的自旋极化朗道能级，场控间隙调制及相变，为顶栅和相变器件的设计提供了理论依据。

ABSTRACT

Magneto-electronic properties of buckled monolayer GaAs is studied by the developed generalized tight-binding model, considering the buckled structure, multi-orbital chemical bondings, spin-orbit coupling, electric field, and magnetic field simultaneously. Three group of spin-polarized Landau levels (LLs) near the Fermi level are induced by the magnetic quantization, whose initial energies, LL degeneracy, energy spacings, magnetic-field-dependence, and spin polarization are investigated. The Landau state probabilities describing the oscillation patterns, localization centers, and node regularities of the dominated/minor orbitals are analyzed, and their energy-dependent variations are discussed. The given density of states directly reflects the main features of the LL energy spectra in the structure, height, number, and frequency of the spin-polarized LL peaks. The electric field causes the monotonous/nonmonotonous LL energy dispersions, LL crossing, gap modulation, phase transition and spin splitting enhancement. The complex gap modulations and phase transitions based on the competition between magnetic and electric fields are explored in detail by the phase diagram. The field-controlled gap modulations and phase transitions are helpful in designing the top-gated and phase-change electronic devices. These predicted magneto-electronic properties could be verified by scanning tunneling spectroscopy measurements.

研究动机与目标

• 理解在电场与磁场共同作用下荷电单层GaAs的磁电输运特性。
• 研究自旋-轨道耦合、轨道杂化及荷电结构对朗道能级（LL）形成与色散关系的影响。
• 探讨电场与磁场竞争导致的间隙调制与相变行为。
• 预测可实验验证的朗道能级特征，如态密度中的峰结构及波函数中的节点模式。
• 为基于III-V族单层材料的二维电子与光电子器件设计提供理论框架。

提出的方法

• 构建包含多轨道相互作用、自旋-轨道耦合及GaAs几何荷电的广义紧束缚模型。
• 在垂直电场与磁场作用下自洽求解哈密顿量，计算朗道能级谱。
• 分析朗道态的轨道占据概率，以表征轨道主导性、局域中心及波函数节点规律。
• 计算态密度（DOS），识别对应于朗道能级的峰结构及其能量间距。
• 构建 $E_z$-$B_z$ 相图，映射不同区域的间隙调制与相变行为。
• 对比有无电场时朗道能级能量色散，揭示单调与非单调行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁场作用下，荷电单层GaAs中如何产生自旋极化的朗道能级？
• RQ2 自旋-轨道耦合与轨道杂化在塑造朗道能级谱与波函数结构中起何种作用？
• RQ3 电场与磁场如何协同调制带隙并诱导相变？
• RQ4 朗道态波函数中的轨道主导性与节点模式如何随外场变化？
• RQ5 通过扫描隧道谱学能否实验验证所预测的朗道能级特征？

主要发现

• 在费米能级附近出现三组显著的自旋极化朗道能级，每组均表现出与磁场强度的线性依赖关系。
• 朗道能级能量间距随能级升高而减小，且每个能级因谷态与镜像对称性而简并为双重简并。
• 轨道占据概率呈现规律性振荡模式，节点分布具有周期性；每个朗道能级中，s轨道的节点数比px或py轨道少一个。
• 电场导致能量色散呈现非单调行为，出现能级交叉与增强的自旋分裂，关键场强下观察到带隙收缩。
• 相图揭示了 $E_z$-$B_z$ 平面中四个特征区域，其中 $E_z$ 控制下存在两种间隙调制类型，$B_z$ 控制下存在三种类型。
• 预测的自旋分裂能量间距超过室温热能，表明其在器件应用中具有强鲁棒性。