Проект РФФИ 19-42-540011 р_а

Название Акустоэлектронный транспорт в двумерных системах на основе монослоев дихалькогенидов переходных металлов

Вид конкурса конкурс региональных проектов Новосибирской области

Команда проекта

• Каламейцев Александр Владимирович, к.ф.-м.н., руководитель проекта
• Ковалев Вадим Михайлович, д.ф.-м.н., исполнитель проекта

Аннотация

Одним из активно развиваемых направлений исследований в настоящее время является изучение оптических свойств и кинетических эффектов в монослоях различных материалов. В последние время активно изучаются семейство двумерных систем на основе монослоев дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ). Наличие неэквивалентных долин в зоне Бриллюэна, отсутствие центральной симметрии, наличие сильного спин-орбитального взаимодействия приводят к ряду интересных оптических и транспортных свойств ДПМ, в которых долинная степень свободы носителей заряда играет главенствующую роль.

Настоящий проект направлен на изучение акустоэлектронного долинного транспорта и акустоиндуцированных резонансных явлений в многодолинных материалах на основе ДПМ. В рамках проекта планируется: 1) изучение эффектов долинного увлечения носителей заряда поверхностными акустическими волнами; 2) разработка теории внутридолинного акустического резонанса; 3) изучение свойств внутридолинных спин-акустических коллективных мод и их проявления в эффекте спинового и циклотронного резонанса.

Полученные в рамках проекта результаты будут способствовать разработке методов и подходов для управления долинной степенью свободы носителей заряда и коллективных мод посредством поверхностных акустических волн, что откроет дополнительные возможности в области технических приложений этих материалов в акустоэлектронике.

Результаты по проекту

Предсказан новый тип и построена теория долинного акустоэлектрического (АЭ) эффекта – возникновение стационарного электрического тока под действием бегущей поверхностной звуковой волны – в двумерных материалах, в которых отсутствует центр инверсии. Рассмотрена структура, состоящая из подложки, обладающей сильным пьезоэффектом, и двумерного мономолекулярного слоя дисульфида молибдена (MoS2). в которой вдоль поверхности подложки распространяется поверхностная акустическая волна (ПАВ) типа Гуляева-Блюштейна. Показано, что кроме стандартного вклада в ток увлечения, обусловленного звуковым давлением, акустоэлектрический ток содержит еще два специфических долинных вклада, происхождение которых обусловлено гофрировкой долин монослоя и вкладом фазы Берри в групповую скорость электронов. Показано, что основной вклад в АЭ ток, как и поправка от фазы Берри, являются нечетными функциями k, в то время как вклад, обусловленный гофрировкой энергетического спектра долин, является четной функцией k. Эти особенности могут быть использованы для экспериментального обнаружения эффекта.

Рис.1. – Изучаемая система. a) Слой MoS₂ в поле ПАВ. b) Зона Бриллюэна монослоя MoS₂ со схематическим изображением гофрировки долин. k – волновой вектор ПАВ, IDT – встречно-штыревой преобразователь.

Публикации по результату

A. V. Kalameitsev, V. M. Kovalev, and I. G. Savenko, Physical Review Letters 122, 256801 (2019) https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.122.256801

Разработана теория акустомагнетоэлектрического эффекта во внешнем магнитном поле при произвольных соотношениях между длиной волны ПАВ и циклотронного радиуса электронов. Известно, что соизмеримость длины волны и циклотронного радиуса приводит к так называемым геометрическим резонансам транспортных откликов системы, т.е. осцилляций как функции длины волны в статическом однородном магнитном поле. С другой стороны, в двумерных системах, пространственно промодулированных внешним статическим периодическим потенциалом возникают другой тип квазиклассических осцилляций, известных в литературе как осцилляции Вейсса, представляющих собой осцилляции транспортных откликов системы как функции обратного магнитного поля. Показано, что в нелинейном акустоэлектронном транспорте в однородном магнитном поле происходит совмещение обеих этих явлений. Суть эффекта заключается в том, что при фиксированной частоте, ПАВ создает в системе динамическую сверхрешётку – пространственную модуляцию электронной плотности, что в результате, приводит к вейссовским осцилляциям акустоэлектрического тока (при фиксированной частоте ПАВ, задающий период сврехрешетки) как функции обратного магнитного поля.

В случае фиксированного магнитного поля, изменение частоты ПАВ соответствуют условиям существования геометрических резонансов, что и подтверждается прямым расчетом: поведение тока как функции частоты ПАВ демонстрируют наличие геометрических резонансов акустоэлектрического тока.

Рассмотрены случаи двумерных электронных систем с параболическим и линейным законом дисперсии.

Публикации по результату

K. Sonowal, A. V. Kalameitsev, V. M. Kovalev, and I. G. Savenko, Physical Review B 102, 235405 (2020) https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.102.235405

Изучен электронный транспорт в двумерных материалах с параболической и линейной (графен) дисперсиями носителей в присутствии поверхностных акустических волн и внешнего магнитного поля с помощью полуклассического подхода на основе уравнения Больцмана. Продемонстрировано осцилляционное поведение как продольного, так и поперечного (холловского) акустоэлектрического тока как функции частоты поверхностной акустической волны при фиксированном значении магнитного поля и как функции обратного магнитного поля при фиксированной частоте акустической волны. Первый тип осцилляций объясняется явлением геометрических резонансов, в то время как второй тип осцилляций представляет собой осцилляции Вейсса при наличии динамической сверхрешетки, созданной акустической волной.

Публикации по результату

I. G. Savenko, A. V. Kalameitsev, L. Mourokh, V. M. Kovalev, and, Physical Review B 102, 045407 (2020) https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.102.045407

Развита теория спин-акустического резонанса под действием волны Релея и изгибных волн в монослое MoS2. Эффект заключается в поглощении обеих видов волн, сопровождающимся переходами электронов между спин-расщепленными ветвями зоны проводимости монослоя MoS2, а также в возникновении резонанса акустоэлектрического тока, поскольку каждый переход электронов между спин-расщепленными ветвями сопровождается поглощением волнового вектора ПАВ. Спин-акустический резонанс имеет место в каждой из долин монослоя MoS2, при этом оба долинных резонанса имеют место при одинаковой частоте. Показано, что внешнее магнитное поле, нарушая симметрию к обращению времени в системе, меняет величины резонансных частот в каждой долине и расщепляет пик спин-акустического резонанса на два, каждый из которых соответствует собственной долине. Анализ показывает, что таким же образом действует и внешнее циркулярно-поляризованная межзонная подсветка образца: возникает фотоиндуцированный дублет в спектре спин-акустического резонанса.

Публикации по результату

планируется к публикации статья в журнале Phys.Rev. B