High-Mobility Compensated Semimetals, Orbital Magnetization, and Umklapp Scattering in Bilayer Graphene Moiré Superlattices

超晶格 凝聚态物理 双层石墨烯 石墨烯 材料科学 散射 磁化 云纹 物理 纳米技术 磁场 光学 量子力学
作者
Artur L. Shilov,Mikhail Kashchenko,Pierre A. Pantaleón,Yibo Wang,Mikhail Kravtsov,Andrei Kudriashov,Zhen Zhan,Takashi Taniguchi,Kenji Watanabe,Sergey Slizovskiy,Kostya S. Novoselov,Vladimir I. Fal’ko,F. Guinea,D. A. Bandurin
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (18): 11769-11777 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c13212
摘要

Twist-controlled moiré superlattices (MSs) have emerged as a versatile platform for realizing artificial systems with complex electronic spectra. The combination of Bernal-stacked bilayer graphene (BLG) and hexagonal boron nitride (hBN) can give rise to an interesting MS, which has recently featured a set of unexpected behaviors, such as unconventional ferroelectricity and the electronic ratchet effect. Yet, the understanding of the electronic properties of BLG/hBN MS has, at present, remained fairly limited. Here, we combine magneto-transport and low-energy sub-THz excitation to gain insights into the properties of this MS. We demonstrate that the alignment between BLG and hBN crystal lattices results in the emergence of compensated semimetals at some integer fillings of the moiré bands, separated by van Hove singularities where the Lifshitz transition occurs. A particularly pronounced semimetal develops when eight holes reside in the moiré unit cell, where coexisting high-mobility electron and hole systems feature strong magnetoresistance reaching 2350% already at B = 0.25 T. Next, by measuring the THz-driven Nernst effect in remote bands, we observe valley splitting, indicating an orbital magnetization characterized by a strongly enhanced effective gv-factor of 340. Finally, using THz photoresistance measurements, we show that the high-temperature conductivity of the BLG/hBN MS is limited by electron-electron umklapp processes. Our multifaceted analysis introduces THz-driven magnetotransport as a convenient tool to probe the band structure and interaction effects in van der Waals materials and provides a comprehensive understanding of the BLG/hBN MS.
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