[论文解读] Tuning the magic angle of twisted bilayer graphene at the exit of a waveguide

Michael Vogl, Martin Rodriguez-Vega+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2020

Graphene research and applications被引用 2

一句话总结

本文提出一种通过将扭曲双层石墨烯置于波导出口处，利用横向磁（TM）模式激发纵向光波，从而实现电控调节魔角的方法。该技术可实现原位、可逆的有效扭转角调控，无需外部机械应变，即可动态调节材料的电子相图。

ABSTRACT

We introduce a new approach that allows one complete control over the modulation of the effective twist angle change in few-layer van der Waals heterostructures by irradiating them with longitudinal waves of light at the end of a waveguide. As a specific application, we consider twisted bilayer graphene and show that one can tune the magic angles to be either larger or smaller, allowing in-situ experimental control of the phase diagram of this and other related materials. A waveguide allows one to circumvent the free-space constraints on the absence of longitudinal electric field components of light. We propose to place twisted bilayer graphene at a specific location at the exit of a waveguide, such that it is subjected to purely longitudinal components of a transverse magnetic modes (TM) wave.

研究动机与目标

• 开发一种在扭曲双层石墨烯中实现原位、可逆的有效扭转角调控的方法。
• 通过使用波导产生纵向电场分量，克服自由空间光缺乏纵向电场分量的局限性。
• 实现实验上对魔角的调控，从而控制扭曲双层石墨烯及其相关范德华异质结构中的关联电子相。
• 证明将二维材料置于波导出口处可实现与纯纵向电场的强耦合。

提出的方法

• 利用波导中的横向磁（TM）模式激发，使波导出口处产生纵向电场分量。
• 将扭曲双层石墨烯精确放置于波导出口，以最大化与纵向电场的相互作用。
• 利用TM模的纵向分量调制层间有效耦合，从而调节有效扭转角。
• 利用波导对纵向场的约束与增强能力，克服自由空间传播中缺乏此类场的缺陷。
• 将该方法应用于少层范德华异质结构，以扭曲双层石墨烯作为原型体系。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在波导出口有效生成并局域化纵向电场分量，以与二维材料相互作用？
• RQ2 能否利用这些纵向电场动态调节扭曲双层石墨烯中的有效扭转角？
• RQ3 基于波导的方法是否能实现与机械或静电方法不同的、可逆且原位的魔角控制？
• RQ4 波导的位置和模场结构如何影响场与二维材料耦合的强度与特性？

主要发现

• 波导可在其出口处生成纯纵向电场分量，而此类分量在自由空间光中并不存在。
• 置于波导出口的扭曲双层石墨烯可经历强而可调制的纵向电场，该场可调制层间有效耦合。
• 有效扭转角可被动态调节至大于或小于原始值，具体取决于电场振幅和相位。
• 该方法可在不引起机械形变的情况下，实现对扭曲双层石墨烯电子相图的原位、可逆调控。