Исследователи из Технологического университета Суинберна обнаружили сигнатуры взаимодействий между экситонами-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 опосредуются эффектом заполнения фазового пространства, в то время как притягивающие взаимодействия на малых расстояниях приводят к образованию совместно связанного состояния экситон-экситон-электрон.

Материал

Дисульфид вольфрама (WS₂) относится к семейству полупроводниковых дихалькогенидов переходных металлов (TMDC). Когда объемный материал отслаивается до единственного атомарного монослоя (толщиной менее 1 нанометра), физика этих двумерных материалов становится действительно интересной и контролируемой.

Большая часть интригующей физики описывается созданием и взаимодействиями квазичастиц*. Экситоны являются одной из таких квазичастиц, и они доминируют в оптическом отклике монослоя WS₂. Экситоны образуются, когда электроны из валентной зоны возбуждаются в зону проводимости. Оставшаяся вакансия (дырка) затем может связываться 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 непосредственно со светом. Затем экситон может связываться с этими избыточными электронами, образуя трионы."

Поляроны Ферми

Но что произойдет, если увеличить плотность легирования? На каждый экситон приходится уже не один электрон, а пять, десять, сотни. На данный момент экситон можно рассматривать как дефект в море электронов. Взаимодействие между экситоном и морем электронов Ферми приводит к образованию новых квазичастиц - поляронов.

Как отмечает профессор Монаш 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 атомные газы и даже внутреннюю кору нейтронных звезд."

Эксперимент

Многомерная когерентная спектроскопия (MDCS) использует четыре точно управляемых сверхбыстрых лазерных импульса для выявления и количественной оценки взаимодействий.

"Большинство спектроскопических методов, таких как фотолюминесценция, не способны отделить взаимодействия от реакции одной частицы. MDCS оптимизирован именно для этого", - объясняет автор-корреспондент профессор Джеффри Дэвис.

Изменение поляризации различных импульсов выявило интересное наблюдение: взаимодействия между поляронами Ферми происходят только тогда, когда они связаны с одним и тем же морем Ферми.

"Это было захватывающе, ничего подобного раньше не наблюдалось в этих системах, и физика, лежащая в их основе, была новой", - говорит Джек.

Заполнение фазового пространства

Было установлено, что механизм этих взаимодействий основан на эффекте "заполнения фазового пространства":

Когда электрон в море Ферми взаимодействует с одним экситоном как часть полярона, он не может быть вовлечен в формирование другого полярона. Это приводит к возникновению силы отталкивания между поляронами и объясняет избирательное взаимодействие, которое мы наблюдаем в эксперименте.

Также были выявлены притягательные взаимодействия между поляронами, приводящие к образованию биполяронов. Считается, что удивительно большая энергия связи этих биполяронов уникальна для TMDC на основе вольфрама и является результатом специфического упорядочения зон в WS₂.

Идентификация как отталкивающих, так и притягивающих взаимодействий, а также лежащих в их основе механизмов является важным шагом к полному пониманию поляронов Ферми и взаимодействий квазичастиц в более широком смысле. Благодаря этому вкладу мы на один шаг приблизились к разгадке богатой физики сложных материалов и управлению их замечательными макроскопическими свойствами.

Сильно связанный биполярон

Взаимодействия между поляронами Ферми в монослое WS₂ был опубликован в Сообщения о природе в октябре 2022 года (DOI 10.1038/s41467-022-33811- x). Работа финансировалась Центром передового опыта в области перспективных технологий низкоэнергетической электроники Австралийского исследовательского совета (FLEET).