Oscillations de conductivité de bande dans une porte

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 2856 (2022) Citer cet article

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Les électrons exposés à un potentiel périodique bidimensionnel (2D) et à un champ magnétique perpendiculaire uniforme présentent un spectre d'énergie fractal auto-similaire connu sous le nom de papillon de Hofstadter. Récemment, des oscillations quantiques à haute température associées (oscillations Brown-Zak) ont été découvertes dans les systèmes de moiré de graphène, dont l'origine réside dans l'apparition répétitive de minibandes étendues/états de Bloch magnétiques à des fractions rationnelles de flux magnétique par cellule unitaire donnant lieu à une augmentation de conductivité de la bande. Dans ce travail, nous rapportons l'observation expérimentale des oscillations de conductivité de bande dans un super-réseau de graphène défini électrostatiquement et accordable par porte, qui sont régies à la fois par la structure interne du papillon de Hofstadter (oscillations Brown-Zak) et par une relation de commensurabilité entre le rayon cyclotron des électrons et période du super-réseau (oscillations de Weiss). Nous obtenons une description complète et unifiée des oscillations de conductivité de bande dans des super-réseaux bidimensionnels, produisant une correspondance détaillée entre théorie et expérience.

Les cristaux artificiels, réalisés par des super-réseaux moirés dans des hétérostructures de matériaux 2D1,2,3 ou en imposant un super-réseau à nanomotifs4,5,6 sur un système électronique 2D (2DES) comme le graphène, offrent la possibilité d'étudier les caractéristiques de transport des porteurs de charge dans un environnement périodique. potentiel. Sous l'influence d'un tel super-réseau, il devient possible de modifier la structure de bande et donc les propriétés électroniques des matériaux 2D, conduisant par exemple à l'observation récente de la supraconductivité dans le graphène à angle magique7. Dans les champs magnétiques perpendiculaires, les systèmes de super-réseaux présentent une structure de bande magnétique complexe donnée par le spectre d'énergie fractal du papillon Hofstadter8 qui a été étudié dans des systèmes 2DES9 à base de GaAs9 et des systèmes à base de graphène à des températures cryogéniques10,11,12. À des températures élevées, en quittant le régime de quantification de Landau, la structure fine du spectre énergétique de Hofstadter disparaît mais sa structure squelettique fondamentale demeure. Des oscillations de magnétoconductivité résistantes à la température ont été observées, appelées oscillations Brown – Zak (BZ) et apparaissent périodiques dans le flux magnétique inverse par cellule unitaire du réseau. Krishna Kumar et coll. identifié ces oscillations comme un effet de conductivité de bande, mais les interprète principalement en termes de quasiparticules résidant dans les minibandes de la structure de bande magnétique introduite par Brown15 et Zak16, sans recourir aux niveaux de Landau. Bien que cette interprétation ait ses mérites, comme en témoigne le transport balistique de ces quasi-particules17, une compréhension complète des oscillations BZ n'est possible que si la structure de bande des niveaux de Landau (LL) dans un potentiel périodique 2D est prise en compte. À cette fin, nous avons réalisé des expériences de magnétotransport dans des super-réseaux 2D créés artificiellement6,18, dans lesquels une modulation de potentiel périodique peut être contrôlée par des moyens électrostatiques. Cette approche offre plus de flexibilité en termes de constante de réseau arbitraire, de géométrie et de force de modulation réglable par rapport aux super-réseaux moirés. En particulier, en utilisant des tensions de grille appropriées, nous entrons dans le régime de faible potentiel de modulation, où la visibilité des oscillations BZ est régie par les oscillations de commensurabilité (Weiss). Nous arrivons ainsi à une description unifiée des oscillations de conductivité de bande combinant à la fois les oscillations de Brown – Zak et de Weiss (WO). Nous montrons ci-dessous, à la fois expérimentalement et théoriquement, que les oscillations BZ ainsi que les WO reflètent la dispersion et la structure interne des bandes de Landau à des températures bien supérieures à la séparation des bandes de Landau.

L'impact d'une modulation périodique 2D à des champs magnétiques élevés peut être compris en trois étapes. Nous considérons d'abord le spectre de niveau Landau d'un 2DES non modulé, puis activons le potentiel de modulation dans une seule dimension, conduisant aux bandes de Landau, et enfin activons le potentiel de modulation 2D, qui divise davantage chaque bande de Landau selon le spectre de Hofstadter. Dans ce qui suit, un potentiel de super-réseau carré 2D \(V({{{{{{{\bf{r}}}}}}}})={V}_{0}(\cos (Kx)+\cos (Ky))\) avec K = 2π/a, constante de réseau a et amplitude de modulation V0 est considérée. Le potentiel de modulation est supposé faible (V0 ≪ ℏvF/lB), de sorte que le mélange au niveau de Landau peut être négligé (\({l}_{B}=\sqrt{\hslash /(eB)}\) est le potentiel magnétique longueur).