Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

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. DOI: 10.18500/1817-3020-2023-23-3-254-264, EDN: NSZKPX

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
29.09.2023
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 121)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Нанотехнологии, наноматериалы и метаматериалы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
004.942:538.958:538.975
DOI: 
10.18500/1817-3020-2023-23-3-254-264
EDN: 
NSZKPX

Характеристики индуцированного излучения в условиях действия на графен коротких высокочастотных импульсов

Авторы: 
Панферов Анатолий Дмитриевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Новиков Николай Андреевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Нелинейные эффекты генерации высших гармоник в различных материалах предоставляют новые инструменты для исследования сверхбыстрой динамики электронов и открывают возможный путь создания когерентных источников света в недоступных в настоящее время частотных диапазонах. Графен рассматривается как один из наиболее перспективных материалов в этой области. Для описания нелинейных процессов в нем необходимо уметь воспроизводить изменение заселенности электронных состояний в зоне проводимости в условиях действия интенсивного внешнего электрического поля и наблюдаемые при этом эффекты. Работа посвящена демонстрации применимости в этих целях метода квантового кинетического уравнения на примере моделирования наблюдаемых эффектов действия на монослой графена короткого инфракрасного импульса и сопоставления результатов с экспериментальными данными. Представляемые результаты получены в приближении безмассовых фермионов с использованием прототипа программного решения, обеспечивающего точное воспроизведение отклика электронной подсистемы материала на внешнее импульсное воздействие с большим диапазоном частот, длительностей и напряженности поля.

Ключевые слова: 
генерация высших гармоник
графен
нелинейные эффекты
кинетическая теория
Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-21-00047), https://rscf.ru/project/23-21-00047/. Авторы благодарят С. А. Смолянского за конструктивное обсуждение используемой модели и полученных результатов.
Список источников: 
  1. Meng F., Walla F., Kovalev S., Deinert J., Ilyakov I., Chen M., Ponomaryov A., Pavlov S. G., Hubers H., Abrosimov N. V., Jungemann Ch., Roskos H. G., Thomson M. D. Higher-harmonic generation in borondoped silicon from band carriers and bound-dopant photoionization // Arxiv.org:2303.01564. https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.01564
  2. Kim D., Lee Y., Chacón A., Kim D. E. Effect of interlayer coupling and symmetry on high-order harmonic generation from monolayer and bilayer hexagonal boron nitride // Symmetry. 2022. Vol. 14. Article number 84. https://doi.org/10.3390/sym14010084
  3. Calafell A. I., Rozema L. A., Iranzo D. A., Trenti T., Jenke Ph. K., Cox J. D., Kumar A., Bieliaiev H., Nanot S., Peng Ch., Efetov D. K., Hong J.-Y., Kong J., Englund D. R., Abajo F. J. G., Koppens F. H. L., Walther P. Giant enhancement of third-harmonic generation in graphene–metal heterostructures // Nature Nanotechnology. 2021. Vol. 16. P. 318–324. https://doi.org/10.1038/s41565-020-00808-w
  4. 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 graphene // Nature Communication. 2022. Vol. 13. Article number 6630. https://doi.org/10.1038/s41467-022-34337-y
  5. 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
  6. Sato S. 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. Article number L041408. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L041408
  7. Mao W., Rubio A., Sato Sh. A. Terahertz-induced highorder harmonic generation and nonlinear charge transport in graphene // Phys. Rev. B. 2022. Vol. 106. Article number 024313. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.024313
  8. Zurrón Ó., Picón A., Plaja L. Theory of high-order harmonic generation for gapless graphene // New J. Phys. 2018. Vol. 20. Article number 053033. https://doi.org/10.1088/1367-2630/aabec7
  9. Chen Z.-Y., Qin R. Circularly polarized extreme ultraviolet high harmonic generation in graphene // Opt. Express. 2019. Vol. 27. P. 3761–3770. https://doi.org/10.1364/OE.27.003761
  10. Zhang Y., Li L., Li J., Huang T., Lan P., Lu P. Orientation dependence of high-order harmonic generation in graphene // Phys. Rev. A. 2021. Vol. 104. Article number 033110. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.104.033110
  11. 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. Article number 06008. https://doi.org/10.1051/epjconf/201920406008
  12. 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
  13. 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
  14. Гриб A. A., Мамаев С. Г., Мостепаненко В. М. Вакуумные квантовые эффекты в сильных полях. М. : Энергоатомиздат, 1988. 288 с.
  15. Bialynicky-Birula I., Gornicki P., Rafelski J. Phase space structure of the Dirac vacuum // Phys. Rev. D. 1991. Vol. 44. P. 1825–1835. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.44.1825
  16. Schmidt S. M., Blaschke D., Röpke G., Smolyansky S. A., Prozorkevich A. V., Toneev V. D. A Quantum kinetic equation for particle production in the Schwinger mechanism // Int. J. Mod. Phys. E. 1998. Vol. 7. P. 709–718. https://doi.org/10.1142/S0218301398000403
  17. Tarakanov A. V., Reichel A. V., Smolyansky S. A., Vinnik D. M., Schmidt S. M. Kinetics of vacuum pair creation in strong electromagnetic fields // Progress in Nonequilibrium Green’s Functions. Proceedings of the Conference / eds. M. Bonitz, D. Semkat. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, 2002. P. 393–400. https://doi.org/10.1142/9789812705129_0035
  18. Blaschke D. B., Prozorkevich A. V., Röpke G., Roberts C. D., Schmidt S. M., Shkirmanov D. S., Smolyansky S. A. Dynamical Schwinger effect and highintensity lasers. Realising nonperturbative QED // Eur. Phys. J. D. 2009. Vol. 55. P. 341–358. https://doi.org/10.1140/epjd/e2009-00156-y
  19. Blaschke D., Smolyansky S. A., Panferov A. D., Juchnowski L. Particle production in strong timedependent fields // Proceedings of the Helmholtz International Summer School on Quantum Field Theory at the Limits: From Strong Fields to Heavy Quarks. Dubna, Russia, 2016. P. 1–23. http://dx.doi.org/10.3204/DESY-PROC-2016-04/Blaschke
  20. Gavrilov S. P., Gitman D. M., Dmitriev V. V., Panferov A. D., Smolyansky S. A. Radiation problems accompanying carrier production by an electric field in the graphene // Universe. 2020. Vol. 6. Article number 205. https://doi.org/10.3390/universe6110205
  21. Tarakanov A. V., Reichel A. V., Smolyansky S. A., Vinnik D. V., Schmidt S. M. Kinetics of vacuum pair creation in strong electromagnetic fields // Proceedings of the conference progress in nonequilibrium Green’s functions. Dresden, Germany, 2002. P. 393–400. https://doi.org/10.1142/9789812705129_0035
  22. Martin P. C., Schwinger J. Theory of many-particle systems. I // Phys. Rev. 1959. Vol. 115. P. 1342–1373. https://doi.org/10.1103/PhysRev.115.1342
  23. Ахиезер A. И., Пелетминский С. В. Методы статистической физики. М. : Наука. 1977. 367 с.
  24. Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Katsnelson M. I., Grigorieva I. V., Dubonos S. V., Firsov A. A. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene // Nature. 2005. Vol. 438. P. 197–200. https://doi.org/10.1038/nature04233
  25. Castro Neto A. H., Guinea F., Peres N. M. R., Novoselov K. S., Geim A. K. The electronic properties of graphene // Rev. Mod. Phys. 2009. Vol. 81. P. 109–162. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.109
  26. 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
  27. Cheng J. L., Vermeulen N., Sipe J. E. Third-order nonlinearity of graphene: Effects of phenomenological relaxation and finite temperature // Phys. Rev. B. 2015. Vol. 91. Article number 235320. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.235320
  28. Hafez H. A., Kovalev S., Deinert J.-Ch., Mics Z., Green B., Awari N., Min Chen M., Germanskiy S., Lehnert U., Teichert J., Wang Z., Tielrooij K.-J., Liu Zh., Chen Z., Narita A., Müllen K., Bonn M., Gensch M., Turchinovich D. Extremely efficient terahertz highharmonic generation in graphene by hot Dirac fermions // Nature. 2018. Vol. 561. P. 507–511. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0508-1
  29. Das Sarma S., Adam S., Hwang E. H., Rossi E. Electronic transport in two-dimensional graphene // Rev. Mod. Phys. 2011. Vol. 83. P. 407–470. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.83.407
Поступила в редакцию: 
19.04.2023
Принята к публикации: 
10.05.2023
Опубликована: 
29.09.2023
  • 382 просмотра