Исследователи из МФТИ открыли новый тип электромагнитных волн в активных двумерных системах. Это открытие может привести к значимым изменениям в технологиях и нашем понимании электромагнитных явлений на наноуровне. Работа опубликована в журнале JETP Letters.
Когда электромагнитные волны проходят через однородные диэлектрики, например, стекло, они ведут себя предсказуемо и остаются поперечными (т.е. вектора электрического и магнитного полей электромагнитной волны всегда перпендикулярны направлению ее распространения). В то же время в проводящих средах (полупроводниках, металлах, слабо ионизованных газах) волны становятся более сложными, т.к. к колебаниям электрического и магнитного полей добавляются также колебания плотности электрических зарядов и токов. Этот факт приводит к тому, что лишь одно из полей волны (либо электрическое, либо магнитное) остается перпендикулярным (поперечным) направлению ее движения.
Совместное использование диэлектриков и проводников позволяет конструировать уникальные среды и открывает множество возможностей для управления электромагнитными волнами. Подобные структуры широко используются в современных фотонике, плазмонике, наноэлектронике и других областях науки и техники. При этом основной фокус исследователей оказался сосредоточен на «пассивных» структурах, функционирующих без внешней подпитки энергией.
Физики из МФТИ решили изучить поведение электромагнитных волн в активной среде, где имеется лишь очень тонкий (двумерный) проводящий слой — двумерная электронная система. В роли таких систем может выступать как индивидуальное вещество (несколько слоев графена, черного фосфора или других веществ), так и сложные объекты (гетероструктуры), образующие плоские «ловушки» для электронов, в результате чего последние могут двигаться лишь в двух измерениях.
Электромагнитные волны в подобных системах рассматривались исследователями еще в середине прошлого века. Сотрудники МФТИ одними из первых предложили пустить ток по двумерной электронной системе, сделав её активной (Рисунок 1).
Рисунок 1. Схематичное изображение системы, в которой существует двумерная гальваномагнитная волна. Двумерная электронная система с однородной плотностью носителей заряда (изображена зеленым) помещена в однородное электрическое поле, что приводит к возникновению постоянного тока. Источник: JETP Letters.
В начале исследования ученые вывели теоретически формулу для тензора электродинамической проводимости такой среды — матрицу коэффициентов, которые определяют, как система откликается на внешние электромагнитные поля. Далее, в результате стандартной процедуры решения линеаризованной системы уравнений Максвелла с полученным тензором проводимости ученые определили характерные или «собственные» моды такой системы и рассчитали их частоты и коэффициенты затухания.
В результате, помимо общеизвестных поперечно-магнитных волн (плазмонов), исследователи обнаружили прежде неизвестный тип волн в двумерных системах — гальваномагнитные волны. Гальваномагнитные волны — это особый тип поперечно-электрических волн, возникающих в проводящих материалах (таких как металлы или полупроводники), через которые проходит ток. Протекающий ток, взаимодействуя с флуктуациями магнитного поля, приводит к возникновению возвращающей силы Лоренца, которая поддерживает эти флуктуации. Вследствие бездиссипативной природы данной силы гальваномагнитные волны являются слабозатухающими, что отлично известно в физике объемной (трехмерной) плазмы. Примером таких волн являются «свистящие атмосферики», заполняющие радиолюбителям эфир своеобразными свистами во время грозы.
Однако, несмотря на отличную изученность гальваномагнитных волн в объемной плазме, данный тип волн в двумерных системах ускользал из поля зрения исследователей. И только в этой работе физтехи впервые описали двумерные гальваномагнитные волны.
Было установлено, что 2D гальваномагнитные волны являются однонаправленными: то есть способны распространяться исключительно сонаправленно с протекающим постоянным током. Данное свойство является исключительным в волновых процессах и крайне востребовано при конструировании СВЧ-трансмиттеров. К слову, 3D гальваномагнитные волны также обладают однонаправленностью, однако вследствие больших размеров трехмерной проводящей среды данное свойство более чем за полвека так и не нашло своего применения, а вот двумерные системы лишены этого недостатка.
В то же время, если в пределе коротких длин волн (сотни нанометров) темп затухания трехмерных и двумерных гальваномагнитных волн сопоставим, то в длинноволновом пределе (десятки микрометров и больше) двумерная волна начинает затухать почти в миллион раз быстрее (Рисунок 2). Увы, данный факт ограничивает спектр потенциальных применений двумерных гальваномагнитных волн.
Рисунок 2. Сравнение добротностей и темпов затухания 2D и 3D гальваномагнитных волн. Зеленые линии обозначают добротность волны (Q-factor): чем выше добротность, тем меньше затухание. Источник: JETP Letters
Также исследователи установили интересную особенность активных двумерных электронных систем с дрейфом: оказывается, данная система способна усиливать падающие электромагнитные волны, фазовая скорость которых меньше скорости электронов в двумерных электронных системах.
«В этом случае энергия дрейфующих электронов способна передаваться электромагнитной волне, что было подтверждено нашими расчетами, — рассказал Александр Петров, кандидат физико-математических наук, инженер лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. — По сути, это аналог эффекта Вавилова-Черенкова, за открытие которого советские физики Павел Алексеевич Черенков, Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк получили Нобелевскую премию в 1958 году».
Таким образом, открытая физтехами двумерная гальваномагнитная волна потенциально может привести к революции в технологиях передачи СВЧ-излучения благодаря своей однонаправленности и малого размера активной среды. Однако для успешного внедрения 2D гальваномагнитных волн в микроэлектронику ученым еще предстоит преодолеть повышенное затухание данных волн в длинноволновой области.
Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда, проект №23-72-01013.
9
