Физики описали механизмы переключения ферми-поляронов терагерцовым излучением

Двумерные полупроводники, такие как монослои дихалькогенидов переходных металлов (MoS2, WS2, MoSe2, WSe2), привлекают внимание исследователей благодаря своим уникальным оптическим свойствам. Когда свет создает в них электронно-дырочную пару, возникает экситон — связанное состояние электрона и дырки. Энергия связи экситона в таких материалах достигает сотен миллиэлектронвольт, поэтому экситонные резонансы отчетливо видны в оптических спектрах даже при комнатной температуре.

Ферми-поляроны: когда экситон встречает электронный газ

Если в монослое присутствуют свободные носители заряда, экситон начинает взаимодействовать со всем электронным газом, образуя квазичастицы, называемые ферми-поляронами. Эти квазичастицы были предсказаны Р. А. Сурисом в начале 2000-х годов, поэтому их также называют трионами Суриса. Ферми-полярон представляет собой экситон, «одетый» в коллективные возбуждения окружающих электронов.

У ферми-полярона существует два состояния: притягивающее и отталкивающее. Притягивающий полярон обладает более низкой энергией и по своей природе близок к триону — связанному комплексу из экситона и одного электрона. Отталкивающий полярон, напротив, имеет более высокую энергию и по свойствам напоминает обычный экситон. В оптических спектрах эти два состояния проявляются как отдельные резонансы.

Два механизма переключения ТГц-излучением

Физики исследовали, как короткий терагерцовый импульс может переводить ферми-поляроны из притягивающего состояния в отталкивающее. Терагерцовый диапазон естествен для этой задачи, поскольку энергия связи трионов и зазор между состояниями ферми-полярона в монослоях дихалькогенидов переходных металлов соответствуют нескольким ТГц.

Первый механизм — прямой. Терагерцовый фотон поглощается ферми-поляроном, переводя его из притягивающего состояния в отталкивающее. Этот процесс имеет порог: энергия фотона должна быть примерно равна энергии связи ферми-полярона. Расчеты показали, что скорость перехода вблизи порога растет не так, как предсказывает упрощенная трионная модель, что может служить признаком поляронной природы процесса.

Второй механизм — косвенный. Интенсивный ТГц-импульс нагревает электронный газ за счет поглощения Друде: свободные носители получают энергию от электромагнитного поля. Затем горячие электроны сталкиваются с притягивающими поляронами, разрушая трионоподобные комплексы и переводя их в отталкивающее состояние. Согласно расчетам, этот канал становится заметным при нагреве электронов выше примерно 50 К.

Таким образом, частота и интенсивность ТГц-импульса управляют балансом двух каналов переключения. Прямой канал проявляется как резонансная зависимость темпа перехода от частоты, а косвенный усиливается при нагреве электронов. Разделение этих механизмов важно для планирования будущих ТГц-экспериментов и интерпретации экситон-трионной динамики.

Александр Шенцев, аспирант кафедры проблем теоретической физики МФТИ, отмечает: «Терагерцовый диапазон сейчас активно исследуется, и он особенно интересен для ферми-поляронов в двумерных материалах: энергия ТГц-фотонов сопоставима с характерными энергиями поляронных состояний. Мы показали, что многочастичные корреляции с ферми-морем оставляют след в спектре переходов между ферми-поляронными состояниями. Кроме того, важно учитывать разогрев электронного газа: при интенсивных импульсах он может заметно менять вклад косвенного столкновительного механизма перехода. Следующий шаг — сопоставить эти предсказания с терагерцовыми экспериментами на монослоях».

Исследование поддержано Российским научным фондом (грант №23-12-00142) и Министерством науки и высшего образования РФ (проект №FFWR-2024-0017). В работе принимали участие ученые из МФТИ, ФТИ им. А. Ф. Иоффе и Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН.