Моделирование отклика графена на действие импульсов дальнего ИК-диапазона

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

С использованием квантового кинетического уравнения для электронной подсистемы графена на основе модели сильной связи ближайших соседей исследованы особенности процесса генерации этим материалом высокочастотных гармоник в условиях воздействия мощных коротких импульсов дальнего ИК-диапазона. В рассматриваемых условиях внешнее электрическое поле формирует в зоне проводимости сильно анизотропное распределение с заселением состояний с высокими значениями энергии далеко от точек Дирака. Возникающий при этом ток проводимости содержит ряд нечетных гармоник, наблюдаемых в спектре индуцированного излучения. Поляризационный ток межзонных переходов не играет существенной роли. Выполнено сравнение с результатами экспериментов по наблюдению высокочастотных гармоник в рассматриваемом диапазоне. Показано, что для обеспечения количественного согласия результатов моделирования с экспериментом необходим корректный учет процесса релаксации неравновесной заселенности. Полученная оценка соответствующего времени релаксации, выступающего в качестве одного из параметров модели, согласуется с имеющимися данными. Такие параметры модели как температура материала и время декогерентности слабо влияют на наблюдаемые характеристики процесса.

Об авторах

Анатолий Дмитриевич Панферов

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

ORCID iD: 0000-0003-2332-0982
SPIN-код: 4832-5487
Scopus Author ID: 24384266800
ResearcherId: AAO-7735-2021
410012, Россия, г. Саратов, ул. Астраханская, 83

Николай Андреевич Новиков

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

ORCID iD: 0000-0003-2425-805X
410012, Россия, г. Саратов, ул. Астраханская, 83

Список литературы

  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

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).