Двумерные полупроводники — монослои дихалькогенидов переходных металлов, например MoS2, WS2, MoSe2 и WSe2, — активно исследуются. Когда свет создает в них электрон и дырку — «пустое место» с положительным зарядом, они связываются в экситон. Энергия связи экситона в таких материалах достигает сотен миллиэлектронвольт, поэтому экситонные резонансы хорошо видны в оптических экспериментах и сохраняются в широком диапазоне температур.
Если в монослое есть свободные носители заряда, то экситон взаимодействует со всем электронным газом. Так возникают ферми-поляроны (их еще называют тетронами Суриса, в честь Р. А. Суриса, предсказавшего такие квазичастицы в начале нашего тысячелетия): квазичастицы, в которых экситон «одет» коллективным откликом окружающих электронов.
У полярона есть два состояния: притягивающее и отталкивающее.
Притягивающий полярон обладает более низкой энергией и по своему физическому смыслу близок к трехчастичному комплексу — триону, связанному состоянию экситона и резидентного электрона. Отталкивающий полярон выше по энергии и по своим свойствам ближе к обычному экситону. В оптическом спектре эти состояния проявляются как разные резонансы.
Простейшая трионная модель рассматривает только экситон и один дополнительный электрон. В легированном двумерном полупроводнике, в котором много свободных электронов, этого недостаточно: экситон коррелирован со всем ферми-морем, то есть со всеми электронами и дырками. Именно эти многочастичные корреляции меняют поведение системы вблизи порога поглощения терагерцового излучения.
Исследователи поставили задачу выяснить с помощью теоретического моделирования, как короткий терагерцовый импульс переключает ферми-поляроны между притягивающим и отталкивающим состояниями, и с какой скоростью это происходит.
Терагерцовый диапазон здесь естествен: энергия связи трионов и, соответственно, энергетический зазор между притягивающим и отталкивающим состояниями ферми-полярона в монослоях дихалькогенидов переходных металлов обычно соответствует нескольким терагерцам. Поэтому короткие ТГц-импульсы могут запускать переходы между различными состояниями экситонных комплексов.
Физики выделили два механизма перехода.
Первый механизм прямой: терагерцовый фотон поглощается ферми-поляроном и переводит его из притягивающего состояния в отталкивающее. У процесса есть порог: энергия фотона должна быть примерно равна энергии связи ферми-полярона.
В прямом механизме скорость перехода вблизи порога растет не так, как предсказывает простая трионная модель. Поэтому форма спектра около порога может служить экспериментальным признаком поляронной природы процесса.
Второй механизм косвенный. Интенсивный ТГц-импульс нагревает электронный газ за счет того, что свободные носители получают энергию от электромагнитного поля (это называется поглощением Друде). Затем горячие электроны сталкиваются с притягивающими поляронами и переводят их в отталкивающее состояние, фактически разрушая трионоподобный комплекс. В расчетах этот канал становится заметным при нагреве электронов примерно выше 50 К.
Таким образом, частота и интенсивность ТГц-импульса управляют балансом двух каналов. Прямой канал проявляется в виде резонансной зависимости темпа перехода от частоты ТГц-кванта, а косвенный резко усиливается при нагреве электронов. Их разделение важно для будущих ТГц-экспериментов с монослоями и для интерпретации экситон-трионной динамики.
Практический интерес работы в том, что она дает количественные ориентиры для управления экситонными комплексами в двумерных полупроводниках. Такие материалы рассматриваются как платформа для оптоэлектроники, фотоники и квантовых устройств, где оптический отклик нужно менять быстро и контролируемо.
Александр Шенцев, аспирант кафедры проблем теоретической физики МФТИ, прокомментировал: «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».
Работа опубликована в журнале Physical Review B. Исследование поддержано Российским научным фондом (грант №23-12-00142) и Министерством науки и высшего образования РФ (проект №FFWR-2024-0017). Кроме сотрудников МФТИ в работе принимали участие их коллеги из Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.