Электромагнитный дрессинг наноструктур

Целью проекта является теоретическое исследование перенормировки (ренормализации) электронных свойств различных наноструктур, обусловленной нерезонансным взаимодействием электронов с сильным высокочастотным электромагнитным полем. Поскольку частоты нерезонансного поля лежат далеко от характерных частот электронной системы, то это поле не поглощается электронами и, следуя общепринятой терминологии квантовой оптики, называется «одевающим полем» (dressing field). Соответственно, ренормализация электронных свойств одевающим полем называется «электромагнитным одеванием» или «электромагнитным дрессингом» (electromagnetic dressing). Традиционно, электромагнитный дрессинг относится к юрисдикции квантовой оптики и долгое время исследовался лишь применительно к атомарным и молекулярным системам в сильных лазерных полях. Однако успехи в технологии изготовления наноструктур привели к тому, что область приложения методологии квантовой оптики существенно расширилась: благодаря разнообразию наноструктур появилась возможность наблюдения новых фундаментальных эффектов на стыке квантовой оптики и физики низкоразмерных электронных систем. Предлагаемое исследование лежит в русле этого недавно сформировавшегося междисциплинарного научного тренда: основной задачей проекта является разработка теории электромагнитного дрессинга различных наноструктур с учетом многообразия их электронных свойств.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

Разработана теория электромагнитного дрессинга щелевого графена и монослоев дихалькогенидов переходных металлов. В рамках формализма Флоке-Магнуса решены нестационарные уравнения квантовой динамики, описывающие электронные свойства этих двумерных материалов, облучаемых сильным высокочастотным электромагнитным полем (одевающее поле). Из полученных решений следует, что нерезонансное взаимодействие электронов с одевающим полем существенно ренормализует запрещенную зону и спин-орбитальное расщепление электронного спектра. Более того, ренормализованные электронные параметры сильно зависят от поляризации одевающего поля: линейно поляризованное поле всегда уменьшает запрещенную зону (и, в частности, может обратить ее в ноль), тогда как циркулярно поляризованное поле нарушает эквивалентность долин в различных точках зоны Бриллюэна и может как увеличивать, так и уменьшать соответствующие этим точкам запрещенные зоны. Как следствие, одевающее электромагнитное поле может служить эффективным инструментом контроля спиновых и долинных характеристик электронов в щелевом графене и монослоях дихалькогенидов переходных металлов, что открывает новые перспективы использования этих двумерных материалов в различных оптоэлектронных приложениях [1].

Разработана теория электромагнитного дрессинга двуслойного графена. Решая систему нестационарных уравнений Шредингера, описывающих двуслойный графен в двухзонном приближении, мы нашли зависимость электронной дисперсии от параметров одевающего поля. Из полученных результатов следует, что ренормализация электронного спектра двуслойного графена одевающим полем приводит к переходу Лифшица — резкому изменению топологии Ферми поверхности двуслойного графена вблизи края зоны. Этот эффект существенно зависит от поляризации одевающего поля: линейно поляризованное поле индуцирует переход Лифшица от четырехсвязной поверхности Ферми к двухсвязной, тогда как циркулярно поляризованное поле приводит к появлению мультикритической точки, где могут сосуществовать четыре различные топологии Ферми поверхности. Как следствие, предсказанный феномен создает физическую основу для оптического контроля электронных свойств двуслойного графена [2].

Разработана теория электромагнитного дрессинга асимметричных квантовых точек одевающим полем с двумя различными частотами, поляризациями и амплитудами (бихроматическое поле) в режиме сильной связи. Показано, что нарушенная инверсионная симметрия одетой полем квантовой точки и бихроматическая структура одевающего поля приводят к неожиданным особенностям резонансной флуоресценции, включая бесконечный набор триплетов Моллоу, гашение флуоресцентных пиков одевающим полем и осциллирующее поведение интенсивности флуоресценции как функции интенсивности одевающего поля. Эти квантовые феномены носят общий физический характер и потому могут иметь место в различных квантовых системах без центра инверсии, одетых бихроматическим электромагнитным полем [3].

Разработана теория электромагнитного дрессинга туннельно связанных полупроводниковых квантовых ям. В ходе решения задачи Флоке показано, что взаимодействие таких ям с нерезонансным одевающим полем приводит к перенормировке туннельной связи, что качественно меняет все электронные характеристики системы. Эта перенормировка наиболее ярко проявляется, если туннельно связанные ямы помещены в микрорезонатор. В этом случае одевающее поле ренормализует энергетический спектр диполяритонов в туннельно связанных ямах, меняя тем самым параметры терагерцового излучения из диполяритонной системы. Этот эффект создает фундаментальные предпосылки для оптического контроля диполяритонных терагерцовых устройств [4].

Разработана теория электромагнитного дрессинга двумерных периодических массивов туннельно-связанных квантовых колец, описывающая взаимодействие таких массивов с высокочастотным нерезонансным циркулярно поляризованным одевающим электромагнитным полем. Показано, что такое одевающее поле существенно модифицирует электронные свойства периодической решетки связанных квантовых колец, приводя к открытию запрещенных зон в их энергетическом спектре, а также создавая краевые электронные состояния внутри запрещенных зон. Анализ этих светоиндуцированных краевых состояний, проведенный на основе формализма черновских чисел, показал, что среди них существуют как обычные краевые состояния, так и топологически защищенные. Это означает, что одевающее поле может превращать массив туннельно-связанных квантовых колец в топологический изолятор. Как следствие, разработанная теория создает предпосылки для оптического контроля топологических свойств мезоскопических структур на основе массивов квантовых колец [5].

Разработана теория спиновой структуры полупроводниковых квантовых колец со спин-орбитальным взаимодействием Рашбы, облучаемых интенсивной нерезонансной высокочастотной электромагнитной волной (одевающее поле). В рамках теории Флоке периодически возбуждаемых квантовых систем продемонстрировано, что такое одевающее поле существенно модифицирует все электронные характеристики колец, включая спин-орбитальное взаимодействие, эффективную электронную массу, спиновую поляризацию электронов и оптический отклик. В частности, проведен расчет оптических спектров таких колец при наличии одевающего поля и показано, что одевающее поле приводит к расщеплению резонансных пиков, которое может наблюдаться экспериментально. Обнаружена также сильная зависимость спиновой поляризации электронов в кольцах от одевающего поля, которая может быть использована для оптического управления элементами спинтроники на основе полупроводниковых квантовых колец [6].

Теоретически исследованы нелинейные оптические свойства полупроводниковой квантовой ямы, облучаемой двухмодовой электромагнитной волной, состоящей из сильного высокочастотного электромагнитного поля (одевающее поле) и слабого нерезонансного поля, возбуждающего колебания электронной плотности в яме. В рассматриваемой сильно связанной электронно-полевой системе одевающее поле открывает динамические штарковские щели в энергетическом спектре квантовой ямы, тогда как возбуждающее поле индуцирует осцилляции электронной плотности в плоскости квантовой ямы. Поскольку щелевой электронный спектр ограничивает амплитуду этих осцилляций, то в спектре излучения квантовой ямы появляется частотная гребенка. Поэтому квантовая яма, одетая двухмодовым электромагнитным полем, действует как нелинейный оптический элемент, который может быть использован, в частности, для оптически управляемой генерации терагерцового излучения [7].

Разработана теория, описывающая появление поверхностных электронных состояний в объемном теллуриде ртути (HgTe) под воздействием циркулярно поляризованного электромагнитного поля. Проведенный анализ показывает, что это поле приводит к появлению поверхностных состояний, которые происходят из перемешивания зоны проводимости и валентной зоны HgTe. Их ветви лежат вблизи центра зоны Бриллюэна и имеют дираковскую линейную дисперсию, характерную для топологических состояний. Помимо этого, поле индуцирует щель между зоной проводимости и валентной зоны HgTe. Таким образом, циркулярно поляризованное поле может превратить бесщелевой полупроводник, каковым изначально является теллурид ртути, в топологический изолятор. Показано, что оптически индуцированные поверхностные состояния существенно отличаются от нетопологических поверхностных состояний, существующих в HgTe в отсутствие поля. Структура найденных состояний изучена аналитическими и численными методами в широком диапазоне их параметров [8].

Теоретически показано, что сильное высокочастотное электромагнитное поле может приводить к локализации электронов проводимости на отталкивающих потенциалах в наноструктурах. Как следствие этой локализации, появляются метастабильные электронные состояния, связанные на отталкивающем потенциале. Физически, обсуждаемый феномен обусловлен эффектом динамической стабилизации неустойчивых систем осциллирующем полем, хорошо известным механическим аналогом которого является маятник Капицы. В случае наноструктур, содержащих электроны проводимости с различными эффективными массами, этот эффект приводит к образованию метастабильных электронных пар, что может быть положено в основу нового механизма светоиндуцированной сверхпроводимости [9].

Список публикаций

[1] O. V. Kibis, K. Dini, I. V. Iorsh, I. A. Shelykh, All-optical band engineering of gapped Dirac materials. — Physical Review B 95, 125401 (2017).

[2] I. V. Iorsh, K. Dini, O. V. Kibis, I. A. Shelykh, Optically induced Lifshitz transition in bilayer graphene. — Physical Review B 96, 155432 (2017).

[3] G. Yu. Kryuchkyan, V. Shahnazaryan, O. V. Kibis, I. A. Shelykh, Resonance fluorescence from an asymmetric quantum dot dressed by a bichromatic electromagnetic field. — Physical Review A 95, 013834 (2017).

[4] O. Kyriienko, O. V. Kibis, I. A. Shelykh, Floquet control of dipolaritons in quantum wells. — Optics Letters 42, 2398 (2017).

[5] V. K. Kozin, I. V. Iorsh, O. V. Kibis, and I. A. Shelykh, Periodic array of quantum rings strongly coupled to circularly polarized light as a topological insulator. — Physical Review B 97, 035416 (2018).

[6] V. K. Kozin, I. V. Iorsh, O. V. Kibis, and I. A. Shelykh, Quantum ring with the Rashba spin-orbit interaction in the regime of strong light-matter coupling. — Physical Review B 97, 155434 (2018).

[7] S. Mandal, T. C. H. Liew, and O. V. Kibis, Semiconductor quantum well irradiated by a two-mode electromagnetic field as a terahertz emitter. — Physical Review A 97, 043860 (2018).

[8] O. Kyriienko, O. V. Kibis, I. A. Shelykg, Optically induced topological states on the surface of mercury telluride. — Physical Review B 99 115411 (2019).

[9] O. V. Kibis, Electron pairing in nanostructures driven by an oscillating field. — Physical Review B 99, 235416 (2019).