了解電子-聲子相互作用至關(guān)重要，并且對設(shè)備應(yīng)用具有至關(guān)重要的影響。然而，在魔角附近的扭曲雙層石墨烯中，目前還缺乏這種認(rèn)識。在這里，作者使用時間和頻率分辨光電壓測量作為聲子介導(dǎo)的熱電子冷卻的直接和互補(bǔ)探針來研究電子聲子耦合。作者發(fā)現(xiàn)扭曲雙層石墨烯在魔角附近的冷卻速度顯著加快：從室溫降至 5 開爾文的冷卻時間為幾皮秒，而在原始雙層石墨烯中，在較低溫度下，聲子的冷卻變得更慢。實驗和理論分析表明，這種超快冷卻是超晶格形成與低能莫爾聲子、空間壓縮電子萬尼爾軌道和縮小的超晶格布里淵區(qū)的綜合效應(yīng)。這使得有效的電子-聲子 Umklapp 散射能夠克服電子-聲子動量不匹配的問題。這些結(jié)果表明扭曲角是控制能量弛豫和電子熱流的有效方法。
Fig 1. MATBG中的激發(fā)載流子弛豫。 (A 和 B) 具有 0°扭轉(zhuǎn)角的 hBN 封裝的 BLG 器件 (A) 和具有小扭轉(zhuǎn)角的 hBN 封裝的 MATBG 器件 (B) 的圖示，每個器件都配備有分裂柵極。通過向分裂柵極施加相反符號 (±
V) 的電壓，我們創(chuàng)建了一個 pn 結(jié)（黃色和橙色區(qū)域之間的界面）。照亮結(jié)點會通過光熱電效應(yīng)產(chǎn)生光電壓，該光電壓與電子溫度 (Te) 成正比。我們通過使用兩個在時間上由可變時間延遲分開的超短激光脈沖（29、46、47）或使用兩個具有可變頻率失諧的窄光譜激光束（48、49）來獲得溫度動態(tài)。 (C) 晶格溫度為 25 K 時，光電壓作為時間延遲的函數(shù)。代表冷卻動力學(xué)的衰減在 MATBG（藍(lán)色加號）中比 BLG（紅色圓圈）快得多。 a.u.，任意單位。(D) MATBG 能帶結(jié)構(gòu)示意圖。 Umklapp 散射過程（實線箭頭）可通過與莫爾聲子（擺動線）的耦合實現(xiàn)有效的電子（黑色圓圈）弛豫。這些 Umklapp 過程可以發(fā)生在平坦帶和色散帶中。虛線箭頭表示第一布里淵區(qū)的等效最終狀態(tài)。 (E) 半徑為 xi 的壓縮萬尼爾軌道示意圖。電子定位于重建超晶格中的 AA 位點。(F) Umklapp 散射過程（藍(lán)色箭頭）將第一布里淵區(qū)（白色六邊形）中的電子耦合到高階布里淵區(qū)（藍(lán)色六邊形）中的大動量聲子。
Fig 2. MATBG 和 BLG 中的弛豫機(jī)制。 (A) 冷卻時間與晶格溫度的關(guān)系。在 MATBG（1.24°，藍(lán)色加號；1.06°，黃色方塊）中，冷卻時間在 5 到 300 K 之間恒定（3 ps；藍(lán)線）。對于 BLG（0°，紅色圓圈），它在較低溫度下更大。實心（空心）符號對應(yīng)于 TrPV (CWPM) 測量。誤差線代表不同柵極電壓的統(tǒng)計分布。 (B) 基于 (55) 的光學(xué)聲子發(fā)射、基于 (36, 37) 的 hBN 雙曲聲子散射和基于 (31, 33, 34) 的無序輔助散射計算的冷卻時間。對于所有機(jī)制，在較低溫度下冷卻速度較慢。 (C) 冷卻時間對激光光斑尺寸的依賴性。 BLG 在 25 和 50 K 時的強(qiáng)烈依賴性是擴(kuò)散冷卻的標(biāo)志。這種效應(yīng)在 100 K 時較弱，此時無序輔助冷卻變得顯著。對于這些光斑尺寸，MATBG 中不存在這種影響。 (A) 和 (C) 中的藍(lán)色粗線表示從 Umklapp 輔助冷卻的低溫模型獲得的冷卻時間（參見正文）。 (D) BLG 的擴(kuò)散冷卻示意圖（頂部）和 MATBG 不存在擴(kuò)散冷卻的示意圖（底部）。
Fig 3. MATBG中增強(qiáng)冷卻的起源 (A) BLG（紅色圓圈）和 MATBG（藍(lán)色加號）的冷卻時間對峰值功率密度的依賴性。使用 TrPV (CW-PM) 技術(shù)測量填充（開放）形狀。誤差線表示擬合算法的一西格瑪置信區(qū)間。 (B 和 E) MATBG 中平帶部分填充 (B) 和完全填充 (E) 的冷卻功率示意圖。對于部分填充，帶間過渡不受速率限制，如 (A) 中不存在功率依賴性所證明的那樣。在完全填充時，由于（E）所示的帶間瓶頸效應(yīng)，冷卻時間更長。 (C 和 D) 冷卻時間 (C) 和 T = 35 mK (
Rxx) (D) 時獲得的四端子電阻的柵極依賴性。橙色陰影區(qū)域突出顯示莫爾晶胞的完全填充，其中
Rxx 和冷卻時間增加。在 (A) 和 (C) 中，誤差線表示擬合算法的 1 sigma 置信區(qū)間，粗藍(lán)線表示從 Umklapp 輔助冷卻的低溫模型獲得的冷卻時間（參見正文）。
Fig 4. 與Umklapp輔助冷卻的定量比較 (A) MATBG 在 5 K 和 10 K（頂部和底部）下的計算冷卻時間（實線）和實驗冷卻時間（符號）之間的比較。灰色陰影區(qū)域允許變形電勢值的不確定性 (D = 16 ± 4 eV)。誤差線表示擬合算法的一西格瑪置信區(qū)間。 (B) 用于計算由能隙 (Δ − W) 分隔的兩個色散帶和兩個平帶的模型示意圖。 γ
1 和γ
0 分別代表色散帶內(nèi)和平帶內(nèi)散射過程。 (A) 中所示的低溫計算僅考慮 γ
0。 (C) 插圖顯示了能量弛豫與扭轉(zhuǎn)角度的控制。
相關(guān)研究工作由加泰羅尼亞納米科學(xué)與技術(shù)研究所Klaas-Jan Tielrooij課題組于2024年在線發(fā)表在《Science Advances》期刊上，Ultrafast Umklapp-assisted electron-phonon cooling in magic-angle twisted bilayer graphene，原文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj1361
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
