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Physics of Moiré Pattern in Atomic Scale · 2017-08-25 · Moon and Koshino, Phys. Rev. B 85,...

Date post: 20-Jan-2020
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Physics of Moiré Pattern in Atomic Scale Physics of Moiré Pattern in Atomic Scale Pilkyung Moon New York University Shanghai Pilkyung Moon New York University Shanghai
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Physics of Moiré Pattern in Atomic ScalePhysics of Moiré Pattern in Atomic Scale

Pilkyung MoonNew York University Shanghai

Pilkyung MoonNew York University Shanghai

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Physics

Solid State Physics

• Atomic species

• Periodicity of atomsdetermine material properties

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• Period : 0.1-1 nm (1 nm = 10-9 m)

• Compression / elongation : < 1%limit variability !!

“period”

Long period

Short period

Period of atoms

electrical

magnetic

optical

Material properties

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Moiré CrystalMoiré Crystal

Interference of periodic patternsInterference of periodic patterns

difference in lattice perioddifference in lattice period difference in lattice orientationdifference in lattice orientation

lattice periodlattice period

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Moiré CrystalMoiré Crystal

a0 = 0.246 nm

Graphene

a0 = 0.250 nm

hexagonal BN

( )( )( )M 02

1

2 1 1 cosL a

εε ε θ

+=

+ + −

(ε: lattice mismatch,

θ: lattice misorientation)

(ε: lattice mismatch,

θ: lattice misorientation)

ML

conventional materials: a0 ~ 0.1-1 nm

moiré crystal: LM ~ 1-100 nm (*)

* tunable with interlayer registry

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Angle Dependence (Absorption Spectrum)Angle Dependence (Absorption Spectrum)

(σtwisted bilayer graphene – σBernal)

10 15 20 25 30

1.5

2.0

4.5

2.5

3.0

3.5

4.0

TheoryMoon and Koshino,

Phys. Rev. B 87, 205404 (2013).

ExperimentR. W. Havener, Y. Liang, L. Brown,

L. Yang, and J. Park, Nano Lett. 14, 3353 (2014).

Rotation angle θ (degree)

Ene

rgy

(eV

)

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III-V materials, composite

Moiré crystal

- from terahertz to UV -

(Moon and Koshino)

rotation angle (θ)

moiré lattice constant (nm)

“moiré crystal”pe

ak e

nerg

y (e

V)

Wide Spectral RangeWide Spectral Range

0.4lattice constant (nm)

0.70.5 0.6

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Moiré Crystal in Magnetic fieldMoiré Crystal in Magnetic field

How the spectrum looks like?How the spectrum looks like?

magnetic field

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Electron in Periodic Lattice Electron in Magnetic Field

e-El

ectron

ener

gy

forbidden energies

allowed energies

“energy bands” (finite widths)

e-

Elec

tron

ener

gy

allowed energies

“energy levels” (discrete)

Felix Bloch

Zeitschrift für Physik

52, 555 (1929)

Zeitschrift für Physik

64, 629 (1930)*

Lev Landau

...(*age 22)

How Nature

harmonizes the two?

How Nature

harmonizes the two?

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Hofstadter ButterflyHofstadter Butterfly

Ene

rgy

(in u

nit o

f ban

d w

idth

)E

nerg

y (in

uni

t of b

and

wid

th)

Φ magnetic fluxΦ0 magnetic flux quantumB magnetic field

D. R. Hofstadter,Phys. Rev. B 14, 2239 (1976)

1100

0

ΦΦ /

BAh e

=

e-

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Fractal (Self-Similar) Energy SpectrumFractal (Self-Similar) Energy Spectrum

当前无法显示此图像。

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1st generation 2nd generation

4th generation 3rd generation

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Condition to Observe Hofstadter ButterflyCondition to Observe Hofstadter Butterfly

B (T) lB (nm)1 25.710 8.11⁞ ⁞

10,000 0.257

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magnetic lengthmagnetic length

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lattice periodlattice period (~ 0.1 nm)(~ 0.1 nm)

The two scale are quite different !!

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image courtesy of Dr. Chuck Mielke (LANL)image courtesy of Dr. Chuck Mielke (LANL)

2,800 T, pulsed, blowing off the lab (bunker),VNIIEF, Russia

Hofstadter Butterfly by High Magnetic FieldHofstadter Butterfly by High Magnetic Field

45 T, continuous, NHMFL, USA

730 T, pulsed, destructive (but not destroying the lab), ISSP, Japan

2,800 T

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B ~ O(104 T) for usual crystalline solids [L ~ O(0.1 nm)]

1

spectrum obtained by blowing off the facilityspectrum obtained by blowing off the facility

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Ener

gy (i

n un

it of

ban

d w

idth

)

0 ~80,000 T

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Hofstadter Butterfly by Large LatticeHofstadter Butterfly by Large Lattice当前无法显示此图像。

Lattice period (nm)

B0

(Tes

la)

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feasible magnetic field

ordinary crystalline lattice

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Hofstadter Butterfly by Large LatticeHofstadter Butterfly by Large Lattice

Φ / Φ0 ≥ 1(strong field regime)

R. Bistritzer and A. H. MacDonald, Phys. Rev. B 84, 035440 (2011).

Φ / Φ0 ≥ 0(entire regime)

Moon and Koshino,Phys. Rev. B 85, 195458 (2012).

Hofstadter butterflyat moderate B !

Moiré Superlatticesuperlattice by incoherentstacking of atomic lattices

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θ = 0°

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θ = 4°当前无法显示此图像。

θ = 8°

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θ = 2.65°当前无法显示此图像。

Hofstadter Butterfly by Moiré SuperlatticeHofstadter Butterfly by Moiré Superlattice

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θ = 9.43°

n = 0

+1+2

-1-2

Moon and Koshino, Phys. Rev. B 85, 195458nearly monolayer’s Landau levelsnearly monolayer’s Landau levels

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Hofstadter Butterfly by Moiré SuperlatticeHofstadter Butterfly by Moiré Superlatticeθ = 9.43°

n = 0

+1+2

-1-2

θ = 2.65°当前无法显示此图像。

fractal bandsfractal bands

Moon and Koshino, Phys. Rev. B 85, 195458

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subgeneration bands

subgeneration levels

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B. Hunt, J. D. Sanchez-Yamagishi, A. F. Young,M. Yankowitz, B. J. LeRoy, K. Watanabe,T. Taniguchi, P. Moon, M. Koshino,P. Jarillo-Herrero, and R. C. Ashoori,Science 340, 1427 (2013).

C. R. Dean, L. Wang, P. Maher, C. Forsythe,F. Ghahari, Y. Gao, J. Katoch, M. Ishigami,P. Moon, M. Koshino, T. Taniguchi, K. Watanabe, K. L. Shepard, J. Hone, and P. Kim,Nature 497, 598 (2013).

Bilayer graphene / hBN Monolayer graphene / hBN

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当前无法显示此图像。当前无法显示此图像。

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( : theory)

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ConclusionConclusion当前无法显示此图像。当前无法显示此图像。

Der Schmetterlingsjäger (The butterfly hunter) by Carl Spitzweg (1840), Butterfly and Chinese wisteriaflowers by Xü Xi (970)

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Thank you for your attentionThank you for your attention

• Absorption spectra

• Optical dichroism

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