了解电子-声子相互作用至关重要，并且对设备应用具有至关重要的影响。然而，在魔角附近的扭曲双层石墨烯中，目前还缺乏这种认识。在这里，作者使用时间和频率分辨光电压测量作为声子介导的热电子冷却的直接和互补探针来研究电子声子耦合。作者发现扭曲双层石墨烯在魔角附近的冷却速度显着加快：从室温降至 5 开尔文的冷却时间为几皮秒，而在原始双层石墨烯中，在较低温度下，声子的冷却变得更慢。实验和理论分析表明，这种超快冷却是超晶格形成与低能莫尔声子、空间压缩电子万尼尔轨道和缩小的超晶格布里渊区的综合效应。这使得有效的电子-声子 Umklapp 散射能够克服电子-声子动量不匹配的问题。这些结果表明扭曲角是控制能量弛豫和电子热流的有效方法。

 
Fig 1. MATBG中的激发载流子弛豫。 (A 和 B) 具有 0°扭转角的 hBN 封装的 BLG 器件 (A) 和具有小扭转角的 hBN 封装的 MATBG 器件 (B) 的图示，每个器件都配备有分裂栅极。通过向分裂栅极施加相反符号 (±V) 的电压，我们创建了一个 pn 结（黄色和橙色区域之间的界面）。照亮结点会通过光热电效应产生光电压，该光电压与电子温度 (Te) 成正比。我们通过使用两个在时间上由可变时间延迟分开的超短激光脉冲（29、46、47）或使用两个具有可变频率失谐的窄光谱激光束（48、49）来获得温度动态。 (C) 晶格温度为 25 K 时，光电压作为时间延迟的函数。代表冷却动力学的衰减在 MATBG（蓝色加号）中比 BLG（红色圆圈）快得多。 a.u.，任意单位。(D) MATBG 能带结构示意图。 Umklapp 散射过程（实线箭头）可通过与莫尔声子（摆动线）的耦合实现有效的电子（黑色圆圈）弛豫。这些 Umklapp 过程可以发生在平坦带和色散带中。虚线箭头表示第一布里渊区的等效最终状态。 (E) 半径为 xi 的压缩万尼尔轨道示意图。电子定位于重建超晶格中的 AA 位点。(F) Umklapp 散射过程（蓝色箭头）将第一布里渊区（白色六边形）中的电子耦合到高阶布里渊区（蓝色六边形）中的大动量声子。

 
Fig 2.  MATBG 和 BLG 中的弛豫机制。 (A) 冷却时间与晶格温度的关系。在 MATBG（1.24°，蓝色加号；1.06°，黄色方块）中，冷却时间在 5 到 300 K 之间恒定（3 ps；蓝线）。对于 BLG（0°，红色圆圈），它在较低温度下更大。实心（空心）符号对应于 TrPV (CWPM) 测量。误差线代表不同栅极电压的统计分布。 (B) 基于 (55) 的光学声子发射、基于 (36, 37) 的 hBN 双曲声子散射和基于 (31, 33, 34) 的无序辅助散射计算的冷却时间。对于所有机制，在较低温度下冷却速度较慢。 (C) 冷却时间对激光光斑尺寸的依赖性。 BLG 在 25 和 50 K 时的强烈依赖性是扩散冷却的标志。这种效应在 100 K 时较弱，此时无序辅助冷却变得显着。对于这些光斑尺寸，MATBG 中不存在这种影响。 (A) 和 (C) 中的蓝色粗线表示从 Umklapp 辅助冷却的低温模型获得的冷却时间（参见正文）。 (D) BLG 的扩散冷却示意图（顶部）和 MATBG 不存在扩散冷却的示意图（底部）。

 
Fig 3. MATBG中增强冷却的起源 (A) BLG（红色圆圈）和 MATBG（蓝色加号）的冷却时间对峰值功率密度的依赖性。使用 TrPV (CW-PM) 技术测量填充（开放）形状。误差线表示拟合算法的一西格玛置信区间。 (B 和 E) MATBG 中平带部分填充 (B) 和完全填充 (E) 的冷却功率示意图。对于部分填充，带间过渡不受速率限制，如 (A) 中不存在功率依赖性所证明的那样。在完全填充时，由于（E）所示的带间瓶颈效应，冷却时间更长。 (C 和 D) 冷却时间 (C) 和 T = 35 mK (R_xx) (D) 时获得的四端子电阻的栅极依赖性。橙色阴影区域突出显示莫尔晶胞的完全填充，其中 R_xx 和冷却时间增加。在 (A) 和 (C) 中，误差线表示拟合算法的 1 sigma 置信区间，粗蓝线表示从 Umklapp 辅助冷却的低温模型获得的冷却时间（参见正文）。

 
Fig 4. 与Umklapp辅助冷却的定量比较 (A) MATBG 在 5 K 和 10 K（顶部和底部）下的计算冷却时间（实线）和实验冷却时间（符号）之间的比较。灰色阴影区域允许变形电势值的不确定性 (D = 16 ± 4 eV)。误差线表示拟合算法的一西格玛置信区间。 (B) 用于计算由能隙 (Δ − W) 分隔的两个色散带和两个平带的模型示意图。 γ₁ 和γ₀ 分别代表色散带内和平带内散射过程。 (A) 中所示的低温计算仅考虑 γ₀。 (C) 插图显示了能量弛豫与扭转角度的控制。
 
      相关研究工作由加泰罗尼亚纳米科学与技术研究所Klaas-Jan Tielrooij课题组于2024年在线发表在《Science Advances》期刊上，Ultrafast Umklapp-assisted electron-phonon cooling in magic-angle twisted bilayer graphene，原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj1361

转自《石墨烯研究》公众号