Обзор, посвященный перспективам создания электронных и оптоэлектронных устройств на основе ван-дер-ваальсовых гетероструктур, состоящих из проводящего графена, изолирующего нитрида бора, полупроводниковых дихалькогенидов переходных металлов и т.д. Устройства, интересные с прикладной точки зрения – это транзисторы, диоды, светодиоды, фотодиоды и солнечные батареи.

Главное новшество, предлагаемое гетероструктурами из двумерных материалов – это возможность создания устройств вертикальной геометрии, где мы управляем протеканием электрического тока не по горизонтали (например, вдоль канала полевого транзистора), как обычно происходит при современной планарной технологии создания интегральных схем, а по вертикали – путем туннелирования между различными слоями.

На рисунке схематически показано, чем отличаются горизонтальный транзистор от вертикального. Пока что главная техническая проблема подобных устройств – это барьеры Шоттки, возникающие на контактах с металлами.

#дихалькогениды_переходных_металлов #графен

А вот какая многослойная структура была изготовлена в этой работе и служит светодиодом, где электрон и дырки, в ходе вертикального туннелирования, рекомбинируют с испусканием фотонов.

Большое число слоев здесь нужно, чтобы электроны не туннелировали сразу через всю структуру, закорачивая ее и напрасно растрачивая электрический ток. Квантовая эффективность получившегося устройства составляет 10% – она почти достигает показателей современных полупроводниковых светодиодов.

Интересно также, что эта структура почти прозрачна и может быть нанесена на гибкую подложку.

#дихалькогениды_переходных_металлов #фотоника

Из-за продольно-поперечного расщепления на экситонные поляритоны в микрополости действует эффективное псевдомагнитное поле, вращающее их поляризацию. Это поле по модулю пропорционально квадрату импульса поляритона и совершает два оборота при обходе импульса вокруг начала координат. Однако оно не является калибровочным полем, поскольку не входит в гамильтониан посредством минимальной подстановки p → p – A.

В этой статье рассмотрели, что будет при одновременном наличии продольно-поперечного расщепления и фиксированного расщепления по поляризациям в x- и y-направлениях, существующего из-за оптической анизотропии материала микрополости. В этом случае в дисперсии поляритонов, расщепленной по поляризациям, образуются две точки вырождения, показанные на рисунке. В их окрестности на поляритоны действует суммарное псевдомагнитное поле, уже имеющее вид калибровочного.

А поскольку это поле действует на спинорную волновую функцию поляритонов как матрица, оно оказывается еще и неабелевым.

#поляритоны #фотоника

Принято считать, что электрический ток в металлах переносится электронами, но это не всегда верно. Типично «электронные» – лишь щелочные металлы, а в большинстве других сосуществуют электроны и дырки из различных карманов поверхности Ферми. Сами поверхности Ферми могут быть настолько искривленными и запутанными, что даже сложно сказать, чем именно являются квазичастицы вблизи каждой их точки – электронами, дырками или еще какими неведомыми зверьми.

Казалось бы, преимущественно электронный или дырочный характер металла можно определить по знаку эффекта Холла, который зависит от знака заряда носителей тока. Но здесь тоже не все так просто: оказывается, холловская проводимость может иметь разные знаки, не связанные напрямую с видом квазичастиц. При этом она допускает интересную геометрическую интерпретацию как поток, проходящий через некоторый контур. Об этом – в следующей небольшой статье.

https://telegra.ph/Poverhnosti-Fermi-v-metallah-i-geometricheskaya-interpretaciya-hollovskoj-provodimosti-07-20

#твердое_тело

Эксперимент с красивым наблюдением эффекта Джозефсона в атомном газе. Это газ атомов-фермионов ⁶Li, который при слабом притяжении становится сверхпроводником с конденсатом куперовских пар, а при сильном притяжении – бозе-конденсатом молекул-бозонов.

Сигарообразное атомное облако разделяется на две части туннельным барьером, созданным дополнительным лазерным лучом. Для запуска джозефсоновских осцилляций потенциал ловушки вместе с барьером резко смещаются вбок, так что в облаке создается дисбаланс химических потенциалов слева и справа (A). Сами осцилляции можно наблюдать, измеряя как населенности двух конденсатов в половинках атомного облака (B), так и разность их фаз по интерференционной картине, возникающей после выключения барьера (C).

Джозефсоновские осцилляции наблюдаются на всем протяжении кроссовера БКШ-БЭК. К примеру, графики снизу показывают осцилляции дисбаланса населенностей Z и разности фаз φ в режиме бозе-конденсации (слева) и в унитарном режиме (справа).

#атомные_газы #сверхпроводимость

Киральные метаповерхности позволяют поддерживать поверхностные плазмоны, распространяющиеся в разные стороны при противоположных циркулярных поляризациях.

Вот пример такой поверхности: это металлическая пленка, в которой вырезаны прямоугольные отверстия с меняющимися направлениями. Киральные плазмоны такой метаповерхности связываются с экситонами близлежащего слоя WS₂ в поляритоны. Из-за их киральности, авторы предлагают называть их киралитонами.

На диаграммах снизу демонстрируется, что эти поляритоны действительно киральны: при противоположных циркулярных поляризациях антипересечения плазмонной и экситонной дисперсий происходят на противоположных волновых векторах k_x. Это видно как на спектрах отражения (диаграммы сверху), так и на спектрах генерации второй гармоники (диаграмма снизу), попадающей в энергию верхнего поляритона. А из-за особенностей WS₂ получается, что в разных направлениях движутся поляритоны, содержащие экситоны из противоположных долин.

#фотоника #плазмоны #поляритоны

Инерциальный термоядерный синтез состоит в том, что материал, содержащий дейтерий или тритий, ионизуется мощными лазерами. Из-за резкого нагрева ядра разгоняются до энергий, позволяющих им преодолевать кулоновский барьер.

Но такие затеи требуют мощных лазерных установок, а в этой работе удалось достичь ядерного синтеза с использованием обычного, «настольного» фемтосекундного лазера с энергией импульса 120 мДж. Как показано на схеме, струя дейтерия распыляется в вакуум, образуя кластеры размером 50 Å. Лазерный импульс ионизует их, превращая поток кластеров в плазменную струю – она видна на интерференционной картине пропущенного через нее света.

Средняя энергия ядер дейтерия в плазме составляет 2.5 кэВ – этого хватает для преодоления кулоновского барьера с достаточно большой вероятностью, так что каждый импульс создает порядка 15000 нейтронов, испускаемых после слияния в ядро ³He. Энергия таких нейтронов должна быть равна 2.45 МэВ, и это подтверждается измеренным спектром, показанным внизу.

#ядерная_физика

Любопытные формулы для сверхтекучей плотности, которую авторы этой статьи называют «друдевским весом» D_w.

Как показано сверху, она выражается через среднюю кинетическую энергию и сумму, содержащую матричные элементы оператора тока J между основным |Ψ_0> и точными многочастичными возбужденными состояниями |Ψ_m>. Эта сумма похожа – с точностью до другой степени знаменателя – на выражение для многочастичной квантовой метрики g(0) на оси проходящего через систему магнитного потока. Если все энергии возбуждений E_m – E_0 не меньше щели ε, мы получаем неравенство, показанное снизу.

Первое слагаемое обычно отрицательно, так что g уменьшает сверхтекучую плотность по сравнению с ее максимально возможным значением. Интерпретация этого факта такова: чем выше многочастичная квантовая метрика g, тем сильнее многочастичная волновая функция системы искажается при внесении возмущения, создающего сверхтекучий ток. Это не дает системе просто ускоряться как целое, уменьшая сверхтекучий отклик.

#сверхтекучесть

Недавно я писал о том, как добавление солей нарушает скоррелированность дипольных моментов молекул воды и, тем самым, понижает ее диэлектрическую проницаемость ε. А в этой работе показано, почему у чистой воды высокая ε: действительно, она обусловлена тем, что из-за направленности водородных связей дипольные моменты соседних молекул воды направлены почти в одну сторону.

Простейшая теория линейного отклика дает формулу ε = 1 + (4π/3)<M²>/VT, где M – суммарный электрический дипольный момент всех молекул в объеме V. При этом <M²> = Nμ²G, где μ –дипольный момент каждой молекулы, G – мера их скоррелированности по направлениям, которую можно посчитать как интеграл от парной корреляционной функции c_m(r) ~ <μ(0)•μ(r)>. На графике видно, что c_m(r) имеет пик на расстоянии между ближайшими соседями – там же, где похожий пик демонстрирует корреляционная функция для атомов кислорода g_OO.

Из-за значительной сонаправленности соседних диполей G достигает 2.2 – это и есть вклад корреляций в увеличение ε.

#химия

Квантовый выход фотолюминесценции – это число фотонов, испускаемых в расчете на одну электрон-дырочную пару, образующуюся при накачке. У двумерного полупроводника MoS₂ он обычно составляет 1%. А здесь, после обработки образцов суперкислотой, его удалось повысить практически до 100%!

Сверху видно, как отличается люминесценция в только что изготовленном (синяя кривая) и в обработанном (красная кривая) образцах – по интенсивности она увеличивается в 190 раз, хотя форма спектральной линии сохраняется. Внизу показано, как квантовый выход и время жизни носителей (измеренное по сверхбыстрой люминесценции) зависят от интенсивности накачки. После обработки обе величины увеличиваются на два порядка. Но при сильной накачке они постепенно снижаются из-за образования и рекомбинации биэкситонов при высокой концентрации электрон-дырочных пар.

Авторы предполагают, что обработка суперкислотой подавляет процессы нерадиативной рекомбинации, удаляя с образца примеси и пассивируя дефекты.

#дихалькогениды_переходных_металлов

Сверхизлучение Дике состоит в том, что при взаимодействии массива N двухуровневых систем с одной электромагнитной модой скорость излучения ведет себя как N². Это кооперативный эффект, обусловленный конструктивной интерференцией процессов излучения каждого диполя. А в этом эксперименте наблюдался обратный процесс сверхпоглощения.

Молекулы органического полупроводника, помещенные в полимерную матрицу и в оптическую микрополость, поглощают импульс накачки, из-за чего их способность к дальнейшему поглощению подавляется. По скорости увеличения прозрачности после накачки, показанной на графике сверху, можно судить о скорости процесса поглощения.

Как показано снизу, мощность поглощаемого излучения в расчете на одну молекулу P_max растет с числом молекул N, что свидетельствует о кооперативности. Процессы сверхизлучения и сверхпоглощения открывают путь к созданию квантовых батарей, использующих когерентность для сверхэкстенсивного увеличения объема хранимой энергии или скорости своей зарядки и разрядки.

#фотоника

Недавно я писал о достижении термоядерного синтеза лазерным облучением кластеров дейтерия, а здесь он достигнут весьма оригинальным образом – при помощи нагрева пироэлектрического кристалла, создающего сильное электрическое поле.

Как показано на рисунке, кристалл пироэлектрика прикреплен к нагревателю, а с другой стороны на него наложен медный диск с вольфрамовой иглой. При нагреве кристалла на его краях образуется напряжение 80 кВ, а вблизи острия иглы электрическое поле усиливается до 25 В/нм. Это поле ионизует и разгоняет дейтерий, заполняющий герметичную камеру с кристаллом, и разогнанные до 115 кэВ ядра сталкиваются с другими ядрами дейтерия в мишени, содержащей ErD₂. В результате слияния ядер дейтерия образуются ядра ³He и нейтроны с энергией 2.45 МэВ.

На графиках справа показано, как, в течение одного запуска эксперимента, постепенно нарастает температура кристалла, регистрируются рентгеновские лучи от вторичных электронов, ионный ток через сетку и нейтроны от ядерного синтеза.

#ядерная_физика

Красивый расчет момента инерции сверхтекучего бозе-конденсата в гармонической ловушке. Если ловушка анизотропная, то есть имеет эллиптическую форму, ее можно вращать, частично увлекая и атомный газ. Расчет момента инерции Θ как функции отклика углового момента на вращение ловушки дает два вклада.

Первый вклад, пропорциональный числу атомов в конденсате N₀, обусловлен анизотропным вращением конденсатного облака вслед за ловушкой. Это вращение, как ни странно, безротационное – ротор поля скоростей для него равен нулю, как и должно быть для конденсата. Второй вклад – это момент инерции жесткого эллипсоида Θ_rig, умноженный на число тепловых возбуждений N – N₀. Они, в отличие от конденсата, увлекаются вращением ловушки полностью.

Из-за неполного увлечения конденсата получается снижение момента инерции по сравнению с твердотельным вращением: Θ < Θ_rig. На графике справа показано как, по мере роста температуры, снижается доля конденсата, а момент инерции Θ постепенно возрастает до Θ_rig.

#сверхтекучесть

В этой работе показано, как наложением на кристалл осциллирующего электрического поля можно создать систему с отрицательной температурой.

Можно показать, что поле амплитудой K, осциллирующее с частотой Ω, приводит к эффективной перенормировке интеграла перескока: J → J₀(K/ Ω)×J, где J₀ – функция Бесселя нулевого порядка. Поскольку при некоторых значениях аргумента она отрицательна, интеграл перескока J можно сделать отрицательным, что приводит к перевороту дисперсии E(k) = –2J cos(ka).

Если осциллирующее поле включается достаточно резко, но аккуратно, то заполнения одночастичных состояний фермионов N(ω,t) переворачиваются вместе с дисперсией. Как показано на графике слева, это приводит к инверсии населенностей и отрицательной температуре. График справа показывает, как, после включения поля, суммарная энергия частиц (синяя кривая) осциллирует, но в среднем положительна (черная кривая). Хотя до включения поля, в основном состоянии системы, она была отрицательной.

#квантовая_термодинамика

Обзор по электромагнитно-индуцированной прозрачности (electromagnetically induced transparency, EIT) – когерентному оптическому явлению, при котором в веществе, энергетические уровни которого «одеваются» дополнительным электромагнитным полем, между двумя пиками поглощения возникает узкая полоса прозрачности.

Это видно на графике для мнимой части функции отклика Im[χ], при этом Re[χ] в области прозрачности демонстрирует сильнейшую нормальную дисперсию, а также резко усиливается нелинейный отклик | χ⁽³⁾|. Можно сказать, что процессы поглощения в двух пиках интерферируют деструктивно, а нелинейные процессы интерферируют конструктивно.

EIT произвела настоящую революцию в оптике и связана с такими явлениями, как безынверсионная лазерная генерация, стимулированный рамановский адиабатический переход (STIRAP) и множество сверхсильных нелинейных эффектов. В эту же копилку идут нашумевшие эксперименты, где свет в веществе распространялся со сверхмалой скоростью или вовсе останавливался на небольшое время.

#фотоника

Электромагнитно-индуцированная прозрачность, о которой я писал в предыдущем посте, в простейшем случае возникает в Λ-схеме с тремя энергетическими уровнями, связанными двумя электромагнитными переходами.

Поле накачки связывает между собой два возбужденных состояния |2> и |3>, из-за чего образуется дублет Аутлера-Таунса – два «одетых» излучением и расщепленных между собой квазиэнергетических уровня. Если в отсутствие накачки лишь состояние |3> связано дипольным переходом с основным состоянием |1> (является оптически светлым), то теперь оба состояния дублета – частично светлые в меру весовой доли |3> в их волновых функциях.

Если поле накачки достаточно сильное, то в спектре поглощения виден хорошо расщепленный дублет Аутлера-Таунса (см. график слева). При меньшей амплитуде накачки компоненты дублета сдвигаются, но между ними остается область нулевого поглощения, обусловленная их деструктивной интерференцией (график справа). Общая площадь под графиком при этом сохраняется.

#фотоника

А вот картинка из этого же обзора, предлагающая множество способов сломать себе голову в попытках разобраться в запутанной сетке оптических переходов, одевающихся внешними полями и интерферирующих между собой.

Красивые концепции устройств, основанных на тепловых метаматериалах. Чередование слоев латексной резины и силиконового эластомера делает тепловую проводимость метаматериала зависящей от координат и направления, что дает возможность управлять потоками тепла.

Тепловой щит (a) защищает свою внутреннюю область от внешнего теплового потока: как показано моделированием снизу, внутри устанавливается практически постоянная температура. Тепловой концентратор (b), наоборот, усиливает внутри себя тепловой поток на 44%. А тепловой инвертор (c) делает градиент температуры обратным по сравнению с внешним, направляя потоки тепла по спирали.

#популярное

Эта большая статья дает обзор основ теории классической и квантовой информации, а в конце выводится обобщение второго начала термодинамики для квантовых систем с обратной связью – «демонов Максвелла».

Первое неравенство, показанное на рисунке, показывает, что максимальная работа Wˢ_ext, которую можно извлечь из системы, за счет обратной связи повышается на величину, пропорциональную I_QC. Это квантово-классическая взаимная информация между системой и «демоном», показывающая, сколько бит информации о квантовом состоянии системы мы получаем в среднем в результате измерения, проводимого над ней классическим измерительным прибором.

Второе неравенство говорит о том, что этот выигрыш в извлеченной работе должен компенсироваться дополнительными затратами работы на процесс измерения (Wᴹ_meas) и последующего стирания памяти, хранящей его результат (Wᴹ_eras). Если сложить оба неравенства, окажется, что для совокупности системы и демона выполняется обычное второе начало термодинамики.

#квантовая_термодинамика

В этом эксперименте наблюдалась гибридизация в режиме сильной связи между электромагнитной модой микроволновой полости, магнонами в шарике железо-иттриевого граната и механическими колебаниями этого же шарика.

Ее можно понять так: сначала магноны связываются с электромагнитной модой в поляритоны, при этом внешняя микроволновая накачка позволяет скомпенсировать поляритонное затухание. Этот механизм, чем-то схожий с антилазированием (coherent perfect absorption), позволяет ввести систему в режим сильной связи света с веществом, который иначе подавлялся бы из-за потерь.

Далее верхний поляритон вводится в резонанс с модой деформационных колебаний шарика (она связана с магнонами благодаря магнитострикции материала). На диаграмме снизу можно видеть антипересечение при их гибридизации. Управляется оно нелинейным сдвигом энергии магнонов, который возникает из-за эффекта Керра и зависит от интенсивности накачки, отложенной по горизонтальной оси.

#поляритоны

Структура пятен, образующихся при высыхании жидкости – это вопрос, важный для изучения процессов окрашивания вообще и струйной печати в частности. Даже некоторые болезни у человека можно определять по пятнам, остающимся после высыхания капель его крови.

В этой работе исследована фрактальная структура пятен, получающихся после высыхания кофейных капель. Как показано сверху, пятна получаются кольцеобразными. Авторы сфотографировали их с увеличением, перевели в однотонный вид и составили карту линий постоянной яркости, пример которых показан на цветной диаграмме.

Фрактальная размерность γ связывает длину l петель, образуемых линями постоянной яркости, с их средним радиусом r: l ~ r^γ. Как видно из графика, γ принимает значения около 1 и 1.5, соответственно, при малых и больших r. Интерпретация этой закономерности такова: малые петли не фрактальны и ведут себя как обычные замкнутые кривые, а на больших масштабах уже проявляется статистика, характерная для случайного гауссового поля.

#популярное #фракталы