Simulation the response of graphene to far-infrared pulses

封面

如何引用文章

全文:

详细

Background and Objectives: The emergence of sources of ultrashort high-intensity laser pulses has made it possible to subject various materials to a strong electric field without the risk of irreversible damage. Nonlinear effects observed under these conditions, such as the generation of high-frequency harmonics, have great potential for practical application. Graphene is considered one of the most promising materials due to the specificity of its band structure. The aim of the work is to demonstrate the applicability of the model based on the quantum kinetic equation in describing the results of the action of an external electric field with frequencies close to the lower limit of the IR range on the electronic subsystem of a material. Comparison of the model behavior at different values of temperature, relaxation time of nonequilibrium population and decoherence time with experimental data will allow us to estimate possible values of these parameters. Materials and Method: The work uses a quantum kinetic equation for the charge carrier distribution function in the state space. It allows one to reproduce the behavior of the electron subsystem of the material in an external classical electric field with an arbitrary time dependence. The spectrum of single-electron states is determined using the tight-binding approximation of nearest neighbors. The model parameters are the sample temperature, which determines the initial equilibrium distribution, the relaxation time of the nonequilibrium population of excited states, and the decoherence time. The implemented efficient computational procedure allows one to reproduce the characteristics of radiation induced by the action of an external field and analyze its spectral composition. The subject of comparison was the published results of experiments on the generation of high-frequency harmonics by far-infrared pulses at the TELBE facility. Results: The results presented in the work confirm the applicability of the used model for the frequency range near the lower boundary of the IR. It has been shown that under such conditions the external electric field forms a strongly anisotropic distribution in the conduction band with the population of states with high, up to several eV, energy values. In this case, the initial population of the conduction band, determined by the temperature of the sample at zero chemical potential, is much smaller than that created by the external field and does not significantly affect the observed results of the external field action. On the contrary, the relaxation time of the nonequilibrium population turns out to be the most important parameter determining the achieved values of the carrier density and conduction current. This is due to the fact that its value is small compared to the duration of the half-period of the external field. The estimate of this parameter made on the basis of the comparison with the experimental data is in good agreement with the expected values. Due to the insignificant role of the polarization current reflecting the dynamics of interband transitions, a comparison of the model behavior with the available experimental data does not provide criteria for estimating the decoherence time. Conclusion: The results of the work have shown the promise of new tools for modeling, studying, and qualitatively and quantitatively reproducing the characteristics of nonlinear effects under the action of an external electric field on graphene with frequencies close to the lower limit of the IR range. It has been shown that the distinguished role of the conduction current in this frequency range allows one to obtain an independent estimate of the relaxation time of the nonequilibrium population of excited states by comparing the behavior of the model with the experimental results.

作者简介

Anatolii Panferov

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0003-2332-0982
SPIN 代码: 4832-5487
Scopus 作者 ID: 24384266800
Researcher ID: AAO-7735-2021
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Nikolay Novikov

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0003-2425-805X
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

参考

  1. Vampa G., Hammond T., Thiré N., Schmidt B. E., Légaré F., McDonald C. R., Brabec T., Corkum P. B. Linking high harmonics from gases and solids // Nature. 2015. Vol. 522. P. 462–464. https://doi.org/10.1038/nature14517
  2. Hohenleutner M., Langer F., Schubert O., Knorr M., Huttner U., Koch S. W., Kira M., Huber R. Realtime observation of interfering crystal electrons in high-harmonic generation // Nature. 2015. Vol. 523. P. 572–575. https://doi.org/10.1038/nature14652
  3. Vampa G., McDonald C. R., Orlando G., Klug D. D., Corkum P. B., Brabec T. Theoretical analysis of high-harmonic generation in solids // Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113. Art. 073901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.073901
  4. Sato Sh.A., Hirori H., Sanari Y., Kanemitsu Y., Rubio A. High-order harmonic generation in graphene: Nonlinear coupling of intraband and interband transitions // Phys. Rev. B. 2021. Vol. 103. Art. L041408. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L041408
  5. Higuchi T., Heide Ch., Ullmann K., Weber H. B., Hommelhof P. Light-field-driven currents in graphene // Nature. 2017. Vol. 550. P. 224–228. https://doi.org/10.1038/nature23900
  6. Panferov A., Smolyansky S., Blaschke D., Gevorgyan N. Comparing two different descriptions of the I–V characteristic of graphene: Theory and experiment // EPJ Web Conf. 2019. Vol. 204. Art. 06008. https://doi.org/10.1051/epjconf/201920406008
  7. Smolyansky S. A., Panferov A. D., Blaschke D. B., Gevorgyan N. T. Nonperturbative kinetic description of electron-hole excitations in graphene in a time dependent electric field of arbitrary polarization // Particles. 2019. Vol. 2. P. 208–230. https://doi.org/10.3390/particles2020015
  8. Smolyansky S. A., Blaschke D. B., Dmitriev V. V., Panferov A. D., Gevorgyan N. T. Kinetic equation approach to graphene in strong external fields // Particles. 2020. Vol. 3. P. 456–476. https://doi.org/10.3390/particles3020032
  9. Панферов А. Д., Новиков Н. А. Характеристики индуцированного излучения в условиях действия на графен коротких высокочастотных импульсов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2023. Т. 23, вып. 3. С. 254–264. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2023-23-3-254-264
  10. Wallace P. R. The band theory of graphite // Phys. Rev. 1947. Vol. 71. P. 622–634. https://doi.org/10.1103/PhysRev.71.622
  11. Панферов А. Д., Щербаков И. А. Реализация квантового кинетического уравнения для графена на основе модели сильного взаимодействия ближайших соседей // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2024. Т. 24, вып. 3. С. 198–208. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2024-24-3-198-208
  12. Панферов А. Д., Ульянова А. А. Генерация высокочастотных гармоник при взаимодействии разнесенных по частоте лазерных импульсов с монослоем графена // Оптика и спектроскопия. 2024. Т. 132, вып. 10. С. 1067–1075. https://doi.org/10.61011/OS.2024.10.59422.7048-24
  13. Панферов А. Д., Новиков Н. А., Ульянова А. А. Воспроизведение отклика графена на действие внешнего электрического поля с использованием модели сильно взаимодействующих ближайших соседей // Программные системы: теория и приложения. 2024. Т. 15, вып. 3. С. 3–22. https://doi.org/10.25209/2079-3316-2024-15-3-3-22
  14. Yoshikawa N., Tamaya T., Tanaka K. High-harmonic generation in graphene enhanced by elliptically polarized light excitation // Science. 2017. Vol. 356. P. 736–738. https://doi.org/10.1126/science.aam8861
  15. Cha S., Kim M., Kim Y., Choi Sh., Kang S., Kim H., Yoon S., Moon G., Kim T., Lee Y. W., Cho G. Y., Park M. J., Kim Ch.-J., Kim B. J., Lee J. D., Jo M-H., Kim J. Gate-tunable quantum pathways of high harmonic generation in grapheme // Nature Communications. 2022. Vol. 13. Art. 6630. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34337-y
  16. Nakagawa K., Mao W., Sato Sh. A., Ago H., Rubio A., Kanemitsu Y., Hirori H. Hot electron effect in high-order harmonic generation from graphene driven by elliptically polarized light // APL Photonics. 2024. Vol. 9. Art. 076107. https://doi.org/10.1063/5.0212022
  17. Hafez H. A., Kovalev S., Deinert J.-Ch., Mics Z., Green B., Awari N., Chen M., Germanskiy S., Lehnert U., Teichert J., Wang Z., Tielrooij K.-J., Liu Z., Chen Z., Narita A., Müllen K., Bonn M., Gensch M., Turchinovich D. Extremely efficient terahertz high-harmonic generation in graphene by hot Dirac fermions // Nature. 2018. Vol. 561. P. 507–511. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0508-1
  18. Kovalev S., Hafez H. A., Tielrooij K-J., Deinert J-Ch., Ilyakov I., Awari N., Alkaraz D., Soundarapandian K., Saleta D., Germanskiy S., Chen M., Bawatna M., Green B., Koppens F. H. L., Mittendorf M., Bonn M., Gensch M., Turchinovich D. Electrical tunability of terahertz nonlinearity in grapheme // Sci. Adv. 2021. Vol. 7. Art. eabf9809. https://doi.org/10.1126/sciadv.abf9809
  19. Heide Chr., Eckstein T., Boolakee T., Gerner C., Weber H. B., Franco I., Hommelhoff P. Electronic coherence and coherent dephasing in the optical control of electrons in graphene // Nano Lett. 2021. Vol. 21. P. 9403–9409. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02538
  20. Kim Y., Kim M. J., Cha S., Choi Sh., Kim Ch.-J., Kim B. J., Jo M.-H., Kim J., Lee J. D. Dephasing dynamics accessed by high harmonic generation: Determination of electron–hole decoherence of Dirac fermions // Nano Lett. 2024. Vol. 24. P. 1277–1283. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04278
  21. Abbott T. A., Griffiths D. J. Acceleration without radiation // Am. J. Phys. 1985. Vol. 53. P. 1203–1211. https://doi.org/10.1119/1.14084
  22. Fang T., Konar A., Xing H., Jena D. Carrier statistics and quantum capacitance of graphene sheets and ribbons. // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 91. Art. 092109. https://doi.org/10.1063/1.2776887
  23. Mics Z., Tielrooij K.-J., Parvez K., Jensen S. A., Ivanov I., Feng X., Mullen K., Bonn M., Turchinovich D. Thermodynamic picture of ultrafast charge transport in graphene // Nature Communications. 2015. Vol. 6. Art. 7655. https://doi.org/10.1038/ncomms8655

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».