Oscillazioni di conducibilità di banda in una porta

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2856 (2022) Citare questo articolo

3677 accessi

9 citazioni

17 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Gli elettroni esposti a un potenziale periodico bidimensionale (2D) e a un campo magnetico uniforme e perpendicolare mostrano uno spettro energetico frattale e autosimilare noto come farfalla di Hofstadter. Recentemente, sono state scoperte oscillazioni quantistiche ad alta temperatura correlate (oscillazioni Brown-Zak) nei sistemi moiré di grafene, la cui origine risiede nella presenza ripetitiva di minibande estese/stati di Bloch magnetici a frazioni razionali di flusso magnetico per cella unitaria dando origine ad un aumento di conduttività della banda. In questo lavoro riportiamo l'osservazione sperimentale delle oscillazioni di conduttività della banda in un superreticolo di grafene definito elettrostaticamente e sintonizzabile con gate, che sono governate sia dalla struttura interna della farfalla Hofstadter (oscillazioni di Brown-Zak) sia da una relazione di commensurabilità tra la raggio del ciclotrone degli elettroni e periodo del superreticolo (oscillazioni di Weiss). Otteniamo una descrizione completa e unificata delle oscillazioni di conduttività della banda nei superreticoli bidimensionali, producendo una corrispondenza dettagliata tra teoria ed esperimento.

I cristalli artificiali, realizzati mediante superreticoli moiré in eterostrutture di materiali 2D1,2,3 o imponendo un superreticolo nanostrutturato4,5,6 su un sistema di elettroni 2D (2DES) come il grafene, offrono l'opportunità di studiare le caratteristiche di trasporto dei portatori di carica in un sistema periodico potenziale. Sotto l'influenza di tale superreticolo diventa possibile modificare la struttura delle bande e quindi le proprietà elettroniche dei materiali 2D, portando, ad esempio, alla recente osservazione della superconduttività nel grafene ad angolo magico7. Nei campi magnetici perpendicolari, i sistemi superreticolari mostrano una complessa struttura di banda magnetica data dallo spettro energetico frattale della farfalla di Hofstadter8 che è stato studiato in 2DES basati su GaAs9 e sistemi basati su grafene a temperature criogeniche10,11,12. A temperature elevate, uscendo dal regime di quantizzazione di Landau, la struttura fine dello spettro energetico di Hofstadter svanisce ma rimane la sua struttura scheletrica fondamentale. Sono state osservate oscillazioni di magnetoconduttività robuste alla temperatura, che sono state etichettate come oscillazioni Brown-Zak (BZ)13,14 e appaiono periodiche nel flusso magnetico inverso per cella unitaria del reticolo. Krishna Kumar et al. identificato quelle oscillazioni come un effetto di conduttività della banda, ma le interpreta principalmente in termini di quasiparticelle che risiedono nelle minibande della struttura a banda magnetica introdotta da Brown15 e Zak16, senza ricorrere ai livelli di Landau. Sebbene questa interpretazione abbia i suoi meriti, come evidenziato dal trasporto balistico di quelle quasiparticelle17, una piena comprensione delle oscillazioni BZ è possibile solo se si tiene conto della struttura a bande dei livelli di Landau (LL) in un potenziale periodico 2D. A tal fine, abbiamo eseguito esperimenti di magnetotrasporto in superreticoli 2D creati artificialmente6,18, in cui una modulazione potenziale periodica può essere controllata mediante mezzi elettrostatici. Questo approccio offre maggiore flessibilità in termini di costante reticolare arbitraria, geometria e forza di modulazione sintonizzabile rispetto ai superreticoli moiré. In particolare, utilizzando opportune tensioni di gate, si entra nel regime di potenziale di modulazione debole, dove la visibilità delle oscillazioni BZ è governata da oscillazioni di commensurabilità (Weiss). Arriviamo così a una descrizione unificata delle oscillazioni di conduttività di banda combinando sia le oscillazioni Brown-Zak che quelle Weiss (WO). Di seguito mostriamo, sia sperimentalmente che teoricamente, che le oscillazioni BZ e WO riflettono la dispersione e la struttura interna delle bande di Landau a temperature molto più grandi della separazione delle bande di Landau.

L'impatto di una modulazione periodica 2D ad alti campi magnetici può essere compreso in tre fasi. Consideriamo prima lo spettro del livello di Landau di un 2DES non modulato, quindi attiviamo il potenziale di modulazione in una sola dimensione, portando alle bande di Landau, e infine attiviamo il potenziale di modulazione 2D, che divide ulteriormente ciascuna banda di Landau secondo lo spettro di Hofstadter. Di seguito, un potenziale superreticolo 2D quadrato \(V({{{{{{\bf{r}}}}}}}})={V}_{0}(\cos (Kx)+\cos (Ky))\) con K = 2π/a, costante reticolare a e ampiezza di modulazione V0. Si assume che il potenziale di modulazione sia debole (V0 ≪ ℏvF/lB), tale che il mixaggio del livello di Landau può essere trascurato (\({l}_{B}=\sqrt{\hslash /(eB)}\) è il potenziale magnetico lunghezza).