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科普专栏 / Information

哥伦比亚大学Nature子刊:低无序半导体人造石墨烯中的多体效应

【引言】

多体效应在低维电子系统中发挥着重要作用,并且由于其与蜂窝拓扑结构之间相互作用而使其在石墨烯物理领域引起了极大的关注。虽然石墨烯中相互作用的理论处理通常假定系统均为清洁且可控的,但这些先决条件难以在天然材料中得到满足。石墨烯中的二维(2D)鞍点激子(从M点处的鞍点奇点红移)具有显著的多体效应,但它们的光学响应远低于器件应用的相关能量范围。人造石墨烯(AG)是一种用于模拟2D晶体物理中量子行为的可控平台,其所具有可调蜂窝晶格的AG系统适用于探索类石墨烯带结构中多体效应的量子条件。然而,目前固态AG中的电子-电子相互作用还未见报到,尤其是GaAs基的AG,主要是难以实现观察这种效应的低无序性条件。

近日,哥伦比亚大学的Lingjie Du(通讯作者)等人在著名期刊Nature Communications上发表题为“Emerging many-body effects in semiconductor artificial graphene with low disorder”的研究论文,文中报道了在高迁移率的GaAs量子阱(QW)上实现了低无序半导体AG。研究人员制备出了小周期三角形的反点晶格,用以显著抑制加工扰动对电子的影响,从而在所生长的QWs上保持了高质量状态。这一成就使观察到受交换库仑相互作用的集体鞍点自旋激子成为可能,所观察到的库仑交换相互作用能量与M点处狄拉克带的能隙相当,这表明准粒子相互作用与AG势能之间的相互影响。在低无序的AG晶格中观察集体鞍点自旋激子以及所出现的相对大的库仑相互作用都表明在AG中是以电子-电子相互作用效应为主导的体系,这就可以探索一些在石墨烯中无法得到的多体效应。

图一 三角形反点晶格中的低无序人造石墨烯

(a)在GaAs量子阱上刻印的带有周期b的三角形反点晶格示意图,白色圆圈代表半径为r的刻蚀反点,黑色和灰色区域代表未刻蚀区域,黑色圆圈表示以周期a=b/√3的蜂窝图案排列的有效点,在评估AG带结构中,我们在单颗粒近似中使用具有费米能量的丸盒势(红色虚线),V0是刻蚀区域的潜在深度,每个反点都会产生一个有效的排斥势V0

(b)在三角形反点晶格中计算的电子密度,其中V0=6 meV、b=70 nm、a=40.4 nm以及r=20 nm,黄色箭头强调了在最邻近点之间的强化电子耦合,颜色条表示电子密度

(c)b中带参数AG的两个最低狄拉克带,EM表示M点附近的带隙值

图二 在三角形反点晶格中制备的人造石墨烯

(a)Zep 520抗蚀剂通过电子束暴露在80 kV的加速电压下,之后,抗蚀剂演化成三角形反点图案

(b)带有图案的抗蚀剂通过电子泛光暴露在3 kV加速电压下,用以增强抗蚀剂的化学稳定性

(c)将BCl3基干刻蚀剂以深度控制的方法将图案转移到衬底上

(d)除去残余的抗蚀剂后的最终器件,QW位于表面下方80 nm处和Si的δ掺杂层的30 nm处,所生长的电子密度是2.1×1011 cm-2,费米能级是7.5 meV,低温迁移率是106 cm2 V-1 s-1

(e)在0°倾斜(上面板,俯视图)和40°倾斜(底面板,侧视图)中具有不同周期的AG晶格的扫描电镜图片,所有面板上的黄色标尺为50 nm

(f)AG样品I(入射光子能量为1554.36 meV,蓝色标识)的子带间激发的RILS光谱与所生长的GaAs QW的子带间激发(入射光子能量为1550.92 meV,黑色标识)之间的比较,对于不同的入射光子能量,样品I的子带间激发的峰宽几乎是恒定的,光谱是在5 K时在交叉极化下拍摄的

图三 三角形反点结构中低无序AG的狄拉克带激发

(a)AG计算的能带与样品I的狄拉克跃迁图,用不同颜色表示不同环境中的跃迁

(b)最低的曲线是a中跃迁的联合态密度(JDOS),颜色区域表明不同环境下的跃迁,红色标识是高斯扩展下的JDOS,宽度为γ=0.1 meV(其中,选择的γ以适合接近EM的光谱线形状),顶部的黄色迹线是样品I中狄拉克带激发的RILS光谱,其入射光子能量?ωi为1522.88 meV

(c)狄拉克带激发的RILS光谱,除去了非RILS的背景,垂直虚线表示EM和EX的位置,插图显示了EM和EX的电平图,在这个插图中,黑色圆圈是c00带的空穴,红色圆圈是c01带的电子

(d)顶部表示RILS光谱,?ωi为1523.06 meV,JDOS(红色虚线,γ=0.1 meV)与由单粒子激发所引起的散射强度成正比,底部:上方的迹线表示减除单粒子JDOS强度后的光谱,其中?ωi为1523.06 meV(紫色),1523.01 meV(蓝色)和1522.97 meV(绿色),示意图显示了M点处的自旋激子能和带隙能,由于朗道阻尼,自旋激子模型宽度增加

图四 在子带间激发中探测库仑交换能

(a)表示在子带间自旋密度激发(SDE)的RILS的光跃迁,在具有入射光子能量?ωi的跃迁中,入射光子将一个电子从价带(VB)上激发到c11/c10态上,在价带上留下一个空穴;在具有散射光子能量?ωs的跃迁中,c10/c00态上的电子会与空穴重新复合,而发出散射光子;入射光子能量?ωi与散射光子能量?ωs通过能量守恒E=?ωi – ?ωs相关联,这里的E是所研究的AG激发能,在SDE中,电子从较低填充的AG子带激发到下一个较高子带而不改变AG带索引,红(黑)线在较高(较低)?ωi下通过从c01和c11(从c00和c10)的自旋翻转处理定义SDE激发电子态,当c01带高于费米能级时,由于我们实验是在有限的温度下存在载流子的热激发,因而它被填充

(b)RILS光谱的颜色图是在温度T=5 K具有交叉极化中所测量的?ωi的函数,颜色条表示散射光的强度,虚线所标识的c01→c10和c00→c11表示将子带间跃迁与量子阱子带和AG带索引之间变化所结合的能量,标有E10的虚线表示量子阱子带间距的位置,黄色虚线表示SDE的位置,存在与c01→c10和c00→c11跃迁重叠的弱光致发光以及SDE

(c)从(b)中提取的依赖于?ωi的交换能,垂直误差棒代表从测量的光谱中测定E10和ESDE的估计不确定度

【小结】

文中所实现的低无序AG揭示了在状态密度M点的奇点处存在集体太赫兹鞍点自旋激子。低无序AG是一种可用于研究类石墨烯物理的高度可调的凝聚态系统,其中电子相互作用与AG晶格的六方拓扑态之间的相互作用占主导地位。该研究发现可能为研究凝聚态系统中强相关量子态(铁电性和非传统超导性)开辟了新的方法,扩展了量子模拟的工具箱。鉴于鞍点激子处于太赫兹范围并受可调参数的影响,低无序AG可为光电器件应用提供一种半导体平台。

文献连接:Emerging many-body effects in semiconductor artificial graphene with low disorder(Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05775-4)

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