Oscilações de condutividade de banda em uma porta

Nature Communications volume 13, número do artigo: 2856 (2022) Citar este artigo

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Os elétrons expostos a um potencial periódico bidimensional (2D) e a um campo magnético perpendicular e uniforme exibem um espectro de energia fractal auto-semelhante conhecido como borboleta Hofstadter. Recentemente, oscilações quânticas de alta temperatura relacionadas (oscilações Brown-Zak) foram descobertas em sistemas moiré de grafeno, cuja origem reside na ocorrência repetitiva de minibandas estendidas/estados magnéticos de Bloch em frações racionais de fluxo magnético por célula unitária, dando origem a um aumento em condutividade da banda. Neste trabalho, relatamos a observação experimental de oscilações de condutividade de banda em uma superrede de grafeno definida eletrostaticamente e sintonizável por porta, que são governadas tanto pela estrutura interna da borboleta Hofstadter (oscilações de Brown-Zak) quanto por uma relação de comensurabilidade entre o raio do ciclotron dos elétrons e período da superrede (oscilações de Weiss). Obtemos uma descrição completa e unificada das oscilações de condutividade de banda em super-redes bidimensionais, produzindo uma correspondência detalhada entre teoria e experimento.

Cristais artificiais, realizados por superredes moiré em heteroestruturas de materiais 2D ou pela imposição de uma superrede nanopadronizada em um sistema de elétrons 2D (2DES) como o grafeno, oferecem a oportunidade de estudar características de transporte de portadores de carga em um período periódico potencial. Sob a influência de tal superrede, torna-se possível modificar a estrutura da banda e, portanto, as propriedades eletrônicas dos materiais 2D, levando, por exemplo, à recente observação da supercondutividade no grafeno de ângulo mágico7. Em campos magnéticos perpendiculares, os sistemas super-redes exibem uma estrutura de banda magnética complexa dada pelo espectro de energia fractal da borboleta Hofstadter8 que foi estudado em 2DESs9 baseados em GaAs e sistemas baseados em grafeno em temperaturas criogênicas . A temperaturas elevadas, saindo do regime de quantização de Landau, a estrutura fina do espectro de energia de Hofstadter desaparece, mas a sua estrutura esquelética fundamental permanece. Foram observadas oscilações de magnetocondutividade robustas à temperatura, que foram rotuladas como oscilações de Brown-Zak (BZ) e aparecem periódicas no fluxo magnético inverso por célula unitária da rede. Krishna Kumar et al. identificaram essas oscilações como um efeito de condutividade de banda, mas interpretam-nas principalmente em termos de quasipartículas residentes nas minibandas da estrutura de banda magnética introduzida por Brown15 e Zak16, sem recorrer aos níveis de Landau. Embora esta interpretação tenha os seus méritos, como evidenciado pelo transporte balístico dessas quasipartículas17, uma compreensão completa das oscilações BZ só é possível se a estrutura de bandas dos níveis de Landau (LL) num potencial periódico 2D for tida em conta. Para tanto, realizamos experimentos de magnetotransporte em superredes 2D criadas artificialmente6,18, nas quais uma modulação potencial periódica pode ser controlada por meios eletrostáticos. Esta abordagem oferece mais flexibilidade em termos de constante de rede arbitrária, geometria e força de modulação ajustável em comparação com superredes moiré. Em particular, usando tensões de porta apropriadas, entramos no regime de potencial de modulação fraco, onde a visibilidade das oscilações BZ é governada por oscilações de comensurabilidade (Weiss). Chegamos assim a uma descrição unificada das oscilações de condutividade de banda combinando as oscilações de Brown-Zak e Weiss (WOs). Mostramos abaixo, tanto experimentalmente quanto teoricamente, que as oscilações de BZ, bem como WOs, refletem a dispersão e a estrutura interna das bandas de Landau em temperaturas muito maiores que a separação das bandas de Landau.

O impacto de uma modulação periódica 2D em campos magnéticos elevados pode ser entendido em três etapas. Primeiro consideramos o espectro do nível Landau de um 2DES não modulado, depois ativamos o potencial de modulação em apenas uma dimensão, levando às bandas Landau, e finalmente ativamos o potencial de modulação 2D, que divide ainda mais cada banda Landau de acordo com o espectro Hofstadter. A seguir, um potencial de superrede 2D quadrado \(V({{{{{{{\bf{r}}}}}}}})={V}_{0}(\cos (Kx)+\cos (Ky))\) com K = 2π/a, constante de rede a e amplitude de modulação V0 é considerada. O potencial de modulação é considerado fraco (V0 ≪ ℏvF/lB), de modo que a mistura do nível de Landau pode ser negligenciada (\({l}_{B}=\sqrt{\hslash /(eB)}\) é o potencial magnético comprimento).