Физики объяснили, как муаровые кристаллы управляют светом в оптоэлектронике

Российские ученые вместе с иностранными коллегами впервые продемонстрировали и объяснили, как управлять свечением двух наложенных друг на друга тонких кристаллов (муаровая структура). Свечение происходит при облучении лазером и резко меняется при приложении магнитного поля определенной величины: частота колебания атомов совпадает с частотой переворота спинов электронов, что и дает такой эффект. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованной в журнале 2D Materials, имеют не только фундаментальную ценность, но и окажутся полезны при разработке подходов к управлению квантовыми компьютерами и иными оптоэлектронными устройствами.

Оптоэлектроника — одно из современных направлений, основанное на взаимодействии электромагнитных волн с носителями заряда в твердом теле. Так можно либо конвертировать свет в электричество, либо, напротив, переводить электричество в свет, а порой и все вместе. С каждым годом оптоэлектронные устройства находят все больше применений в самых разнообразных задачах: от генерации и преобразования сигнала до хранения и отображения информации. В сравнении с традиционными чисто полупроводниковыми системами они обладают высокой частотой работы, меньшей чувствительностью к внешним факторам, а еще требуют меньше энергии и почти не нагреваются.

«Гонка за созданием все более миниатюрных и эффективных оптоэлектронных устройств требует от нас изучения новых наноматериалов и их свойств. Некоторые из самых ярких открытий связаны с изучением двумерных кристаллов — очень тонких пленок толщиной всего в несколько атомов. Особенно интересны дихалькогениды переходных металлов (в основном соединения вольфрама или молибдена с серой или селеном). Такие вещества обладают большим потенциалом для хранения и передачи информации посредством взаимодействия электронных спинов с циркулярно поляризованным светом. Их изучение привело к множеству открытий принципиально новых физических явлений», — рассказывает Тобиас Корн, профессор Ростокского университета.

В своей новой работе исследователи из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) вместе с коллегами из Ростокского университета (Германия), Регенсбургского университета (Германия), Калифорнийского университета (США), Университета Неймегена (Нидерланды) и Дрезденского технического университета (Германия) изучили свойства муаровых структур на основе селенидов молибдена и вольфрама. Такая система представляет собой наложение двух тонких кристаллов; в зависимости от поворота их друг относительно друга (как если сложить вместе ладони и начать поворачивать их относительно центра) будут различаться и оптические свойства всей структуры. Это обусловлено взаимодействием квазичастиц разных слоев: экситонов, связанных с электронным возбуждением и представляющих собой взаимосвязанные отрицательный электрон и положительную дырку — место ухода электрона; и фононов, связанных с колебаниями атомов в решетке.

В ответ на облучение лазером исследуемые муаровые структуры испускают свечение, однако его волна оказывается вращающейся (поляризованной) — эффект применяемый, например, в 3D кинотеатрах. Если приложить внешнее магнитное поле, спины (моменты импульса) частиц образца изменяют свое направление — происходит спиновая поляризация, которая также влияет на поляризацию испускаемого света. При проведении экспериментов оказалось, что при определенном значении индукции поля, 24 Тесла, достигается максимум поляризации, причина которого требовала объяснения.

В ходе теоретических расчетов авторы выяснили, что все дело в долинном магнитофононном резонансе. В селенидах молибдена и вольфрама фононы хиральные, то есть колеблются не как обычные — вперед-назад, вверх-вниз и вправо-влево, — а по кругу. При индукции магнитного поля в 24 Тесла частота таких колебаний совпадает с частотой спиновых переходов, когда направление спина меняется на противоположное (их также называют междолинным рассеянием), — получается наложение, поляризация усиливается.

«Мы впервые продемонстрировали долинный магнитофононный резонанс в муаровой системе на основе селенидов молибдена и вольфрама и объяснили его причину. Этот эффект позволит тонко настраивать свойства подобных структур в составе квантовых устройств и любых других оптоэлектронных приборов. Наша работа — яркий пример активного международного сотрудничества, которое позволяет достичь принципиально новых фундаментальных научных результатов», — подводит итог Дмитрий Смирнов, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ФТИ имени А.Ф. Иоффе.