Первое измерение взаимодействий между ферми-поляронами в атомарно-тонком 2D-полупроводнике
Исследователи из Технологического университета Суинберна обнаружили признаки взаимодействия между экситон -поляронами в экспериментах на двумерном полупроводниковом монослое вольфрам-дисульфид. Сотрудники FLEET из Университета Монаша и RMIT разработали теоретическую модель для объяснения экспериментальных сигналов. Они обнаружили, что отталкивающие взаимодействия на больших расстояниях опосредованы эффектом заполнения фазового пространства, в то время как притягивающие взаимодействия на малых расстояниях приводят к образованию кооперативно связанного состояния экситон-экситон-электрон.
Заполнение фазового пространства: два экситона (X), одетые фермиевским морем ↑ электронов (красные кружки), смещенных из положений равновесия (пустые кружки), в центре ↑ электрон, взаимодействующий с L-экситоном, недоступен для взаимодействия с R-экситоном. Предоставлено: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33811-х
Недавнее исследование под руководством Австралии обеспечило первое в мире измерение взаимодействий между поляронами Ферми в двумерном полупроводнике атомарной толщины с использованием сверхбыстрой спектроскопии, способной исследовать сложные квантовые материалы.
Исследователи из Технологического университета Суинберна обнаружили признаки взаимодействия между экситон-поляронами в экспериментах на двумерном полупроводниковом монослое вольфрам-дисульфид.
Сотрудники FLEET из Университета Монаша и RMIT разработали теоретическую модель для объяснения экспериментальных сигналов. Они обнаружили, что отталкивающие взаимодействия на больших расстояниях опосредованы эффектом заполнения фазового пространства, в то время как притягивающие взаимодействия на малых расстояниях приводят к образованию кооперативно связанного состояния экситон-экситон-электрон.
Материал
Дисульфид вольфрама (WS 2 ) происходит из семейства полупроводниковых дихалькогенидов переходных металлов (TMDC). Когда объемный материал расслаивается до одного атомного монослоя (толщиной менее 1 нанометра), физика этих двумерных материалов становится действительно интересной и управляемой.
Большая часть интригующей физики описывается созданием и взаимодействием квазичастиц. Экситоны являются одной из таких квазичастиц, и они доминируют в оптическом отклике монослоя WS 2 . Экситоны образуются при возбуждении электронов из валентной зоны в зону проводимости. Оставшаяся вакансия (дырка) может затем соединиться с возбужденным электроном посредством кулоновских сил, образуя экситон.
«Эта картина становится более сложной, когда в монослое есть избыток электронов», — объясняет ведущий автор Джек Мьюир. «Эти «запасные» электроны могут находиться в зонах проводимости и не взаимодействовать напрямую со светом. Затем экситон может связываться с этими избыточными электронами, образуя трионы».
Ферми-поляроны
Но что произойдет, если плотность легирования увеличить? На каждый экситон приходится уже не один электрон, а пять, десять, сотни... В этот момент экситон можно рассматривать как дефект в море электронов. Взаимодействие между экситоном и фермиевским морем электронов приводит к образованию новых квазичастиц — поляронов.
Как отмечает профессор Монаша Мира Пэриш, «наличие дефекта в море Ферми — это универсальная проблема, выходящая за рамки двумерных полупроводников. Поляронные квазичастицы играют важную роль в целом ряде систем, включая холодные атомарные газы и даже внутреннюю кору нейтронных звезд».
Эксперимент
Многомерная когерентная спектроскопия (MDCS) использует четыре точно контролируемых сверхбыстрых лазерных импульса для выявления и количественной оценки взаимодействий.
«Большинство спектроскопических методов, таких как фотолюминесценция, не могут отделить взаимодействия от отклика одной частицы. MDCS оптимизирован именно для этого», — объясняет автор-корреспондент профессор Джеффри Дэвис.
Изменение поляризации различных импульсов выявило интересное наблюдение: взаимодействие между ферми-поляронами происходит только тогда, когда они связаны с одним и тем же ферми-морем.
«Это было захватывающе, ничего подобного раньше не наблюдалось в этих системах, и физика, стоящая за этим, была новой», — говорит Джек.
Заполнение фазового пространства
Было установлено, что механизм этих взаимодействий исходит из эффекта «заполнения фазового пространства»:
Когда электрон в море Ферми взаимодействует с одним экситоном в составе полярона, он не может участвовать в формировании другого полярона . Это приводит к силе отталкивания между поляронами и объясняет селективное взаимодействие, которое мы наблюдаем в эксперименте.
Сильно связанный биполярон
Также были выявлены притягивающие взаимодействия между поляронами, приводящие к образованию биполяронов. Удивительно большая энергия связи этих биполяронов, как полагают, уникальна для TMDC на основе вольфрама и является результатом специфического упорядочения зон в WS 2 .
Идентификация как отталкивающих, так и притягивающих взаимодействий, а также лежащих в их основе механизмов является важным шагом к более широкому пониманию ферми-поляронов и взаимодействий квазичастиц. С этим входом мы на шаг ближе к разгадке богатой физики сложных материалов и управлению их замечательными макроскопическими свойствами.
Исследование было опубликовано в Nature Communications.
