Ученые из МФТИ, Института теоретической физики имени Ландау и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе провели теоретическое исследование диффузии экситонов. Они рассмотрели это физическое явление в муаровых сверхрешетках переходных металлов. Работа опубликована в журнале Physical Review B и была частично поддержана проектом РНФ № 23-12-00142.
С момента открытия экситонов в полупроводниках, ученые стремились понять их свойства и поведение в различных условиях. Гетероструктуры, состоящие из ван-дер-ваальсовых материалов, привлекли внимание благодаря своим уникальным физическим свойствам, обусловленным отсутствием прочной химической связи между слоями. Это позволяет проявляться новым эффектам, таким как муаровые узоры и хиральность. Однако, несмотря на обширные исследования таких структур, транспортные свойства экситонов в них оставались недостаточно изученными.
Рисунок 1. Пример муаровой сверхрешетки на основе монослоев дихалькогенидов переходных металлов. Источник: Nature Reviews Physics.
До недавнего времени считалось, что экситоны в муаровых сверхрешетках (периодических структурах, возникающих при наложении двух слоев материала с небольшим углом поворота) локализованы в потенциальных ямах, возникающих за счет эффекта муара, и не могут эффективно перемещаться между ними. Это ограничивало их потенциальное использование в устройствах.
В новом исследовании ученые продемонстрировали, что экситоны могут делокализоваться и эффективно распространяться в муаровых сверхрешетках на основе монослоев дихалькогенидов переходных металлов благодаря их взаимодействию с электромагнитным полем. Это открытие дает широкие перспективы для исследования фундаментальных транспортных и оптических эффектов на экситонах в системах с муаром и потенциально может привести к созданию новых типов оптоэлектронных устройств и материалов с уникальными свойствами.
Ключ к пониманию процесса — в диполь-дипольном взаимодействии между экситонами. Когда экситон, локализованный на одном узле решетки муара, излучает электромагнитное поле, это поле может свободно распространяться и возбуждать экситон на другом узле. Этот процесс напоминает механизм Ферстера, известный в физике флуоресценции.
Рисунок 2. a) Схематическое изображение муарового узора, образованного в скрученном гетеробислое. Красные и синие точки показывают атомы переходного металла и халькогена соответственно. Угол закручивания θ = 5◦, несоответствие постоянных решетки не учитывается. (b) Цветной график модельного потенциала, испытываемого экситоном. Вставка показывает механизм распространения экситона между узлами i и j с помощью виртуальных процессов рекомбинации-генерации. (c) Дисперсия экситона. (d) Дисперсия экситона в окрестности Γ-точки. Источник: Physical Review B.
Исследователи разработали микроскопическую модель эффекта. Они провели расчеты энергетического спектра и собственных мод системы, а затем изучили диффузию экситонов в полуклассическом и прыжковом режимах. Модель показывает, что даже при наличии значительных потенциальных барьеров (до 100 мэВ) и при отсутствии квантово-механического туннелирования, экситоны могут эффективно распространяться благодаря их взаимодействию с электромагнитным полем.
Было обнаружено, что связь экситонов с электромагнитным полем приводит к образованию экситонной ветви с линейной дисперсией, что является значительным отклонением от традиционных представлений о локализованных экситонах. Температурная зависимость коэффициента диффузии экситонов описывается степенным законом, что указывает на новые механизмы переноса, которые ранее не рассматривались.
Александр Шенцев, студент 5-го курса МФТИ, рассказал о своей работе:
«Мы рассмотрели влияние индуцированного электромагнитного поля на экситоны, а также провели вычисления, учитывающие полуклассическую диффузию экситонов с учетом рассеяния экситонов на фононах и статических дефектах. Результаты нашего исследования показали, что экситоны в муаровых сверхрешетках демонстрируют линейную по волновому вектору дисперсию энергии, даже без квантово-механического туннелирования. Это явление объясняется процессами виртуальной генерации-рекомбинации экситонов в местах локализации. Кроме того, зависимость коэффициента диффузии экситонов от температуры оказывается степенной даже в “прыжковом” режиме. В совокупности это создает теоретический и практический интерес в изучении транспорта данных квазичастиц в структурах с муаром».
Изучение экситонов и их взаимодействий в муаровых сверхрешетках имеет важные приложения в области квантовых технологий и оптоэлектроники. Понимание механизмов, управляющих поведением экситонов, и использование их повышенной подвижности имеет большое значение для разработки высокоэффективных оптоэлектронных устройств, солнечных элементов и квантовых компьютеров. Применение муаровых эффектов в таких системах может привести к созданию новых материалов с уникальными свойствами, дает новые возможности в управлении потоками энергии на нанометровом уровне, позволяя создать новые типы лазеров и фотонных устройств.
