Theory of Bilayer Graphene Spectroscopy

این پایان‌نامه نظریه سه عنصر کلیدی طیف‌سنجی نوری تحریک‌های الکترونیکی در گرافن دولایه را ارائه می‌کند: طیف‌سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه‌ای (ARPES)، طیف‌سنجی رامان برد مرئی، و طیف‌سنجی مغناطیسی فروسرخ دور (FIR). گرافن دولایه (BLG) یک کریستال دو بعدی اتمی است که از دو تک لایه لانه زنبوری کربن تشکیل شده است که بر اساس انباشتگی برنال مرتب شده اند. BLG بدون اغتشاش دارای ساختار نواری منحصربه‌فردی است که دارای حالت‌های کایرال الکترون‌ها با فاز بری مشخصه 2$\pi$ است، و دارای خواص همه‌کاره‌ای است که می‌توان آن را با یک میدان الکتریکی عرضی و کرنش خارجی کنترل کرد. در این کار نشان داده شده است که چگونه می توان از ARPES BLG برای به دست آوردن اطلاعات مستقیم در مورد کایرالیتی حالات الکترون در کریستال استفاده کرد. نویسنده در ادامه به تشریح تأثیر عدم تقارن بین لایه‌ای می‌پردازد که شکافی را در BLG، روی طیف‌های ARPES و FIR در یک میدان مغناطیسی قوی باز می‌کند. در نهایت، او یک تئوری جامع از پراکندگی رامان غیرالاستیک ارائه می‌کند که منجر به تحریکات الکترون حفره در گرافن دولایه، در میدان‌های مغناطیسی صفر و کوانتیزاسیون می‌شود. این ویژگی‌های قطبش و قوانین انتخاب عجیب و غریب آن‌ها را بر حسب انتقال‌های بین سطح لاندو پیش‌بینی می‌کند.

This thesis presents the theory of three key elements of optical spectroscopy of the electronic excitations in bilayer graphene: angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), visible range Raman spectroscopy, and far-infrared (FIR) magneto-spectroscopy. Bilayer graphene (BLG) is an atomic two-dimensional crystal consisting of two honeycomb monolayers of carbon, arranged according to Bernal stacking. The unperturbed BLG has a unique band structure, which features chiral states of electrons with a characteristic Berry phase of 2$\pi$, and it has versatile properties which can be controlled by an externally applied transverse electric field and strain. It is shown in this work how ARPES of BLG can be used to obtain direct information about the chirality of electron states in the crystal. The author goes on to describe the influence of the interlayer asymmetry, which opens a gap in BLG, on ARPES and on FIR spectra in a strong magnetic field. Finally, he presents a comprehensive theory of inelastic Raman scattering resulting in the electron-hole excitations in bilayer graphene, at zero and quantizing magnetic fields. This predicts their polarization properties and peculiar selection rules in terms of the inter-Landau-level transitions.