Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках первого этапа проекта были выполнены комплексные экспериментальные и теоретические работы, направленные на исследование экситонных возбуждений и их транспорта в инкапсулированных монослоях дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ). Основные достижения включают оптимизацию методик изготовления высококачественных гетероструктур, наблюдение вигнеровской кристаллизации электронов, проведение измерений экситонного транспорта и разработку теоретического описания переноса экситонов в гидродинамическом режиме. 1. Разработка технологии изготовления и характеристика высококачественных гетероструктур Была оптимизирована методика получения однородных инкапсулированных монослоев ДПМ большой площади (MoSe₂, WSe₂, WS₂) с использованием механической эксфолиации и сухого трансфера. Ключевым достижением стало обеспечение высокой степени однородности и чистоты монослоев, что подтверждается оптической и люминесцентной микроскопией, а также атомно-силовой микроскопией. Для создания устройств с электрическим управлением монослои инкапсулировались между тонкими плёнками гексагонального нитрида бора (hBN), выполняющими роль диэлектрических барьеров. Методика сборки включает последовательный сухой трансфер каждого слоя (графен, ДПМ, hBN) с точным позиционированием, что позволяет создавать сложные гетероструктуры на кремниевых подложках. Финальные устройства изготавливались с применением электронно-лучевой литографии и вакуумного напыления для формирования высококачественных омических контактов (хром/золото), обеспечивающих надёжное электрическое подключение. 2. Экспериментальное обнаружение и исследование вигнеровской кристаллизации На изготовленных устройствах на основе инкапсулированного монослоя WSe₂ впервые было экспериментально обнаружено явление вигнеровской кристаллизации свободных электронов при нулевом внешнем магнитном поле. Это фундаментальное квантовое состояние, возникающее при сильном электрон-электронном взаимодействии, наблюдалось с помощью высокочувствительной спектроскопии отражения. В геометрии с двумя независимыми затворами обеспечивался точный контроль концентрации носителей и компенсация внешнего электрического поля. В спектрах отражения при низких температурах (~8 К) были выявлены дополнительные особенности выше основного экситонного резонанса. Их происхождение интерпретируется как дифракция экситонов на периодическом потенциале, создаваемом упорядоченной решёткой электронов (вигнеровским кристаллом). Теоретическая модель, связывающая энергию дифракционных пиков с концентрацией носителей и дисперсионными соотношениями для поперечных и продольных экситонных мод, показала хорошее согласие с экспериментальными данными. Это открытие предоставляет новую платформу для изучения сильно коррелированных электронных состояний в двумерных системах. 3. Комплексное исследование экситонного транспорта в зависимости от внешних параметров Для систематического изучения динамики экситонных возбуждений была разработана и собрана оптическая схема. На инкапсулированном монослое MoSe₂ проведён всесторонний анализ распространения экситонов и трионов. Было установлено, что характерная длина диффузии экситонов составляет от 0,5 мкм при 9 К до 2 мкм при комнатной температуре. Обнаружена сильная зависимость длины распространения от мощности оптической накачки: с её увеличением наблюдается эффективный транспорт экситонов из области возбуждения. Этот эффект объясняется формированием пространственного градиента энергии вследствие синего сдвига экситонного резонанса при высокой плотности возбуждений. Более выраженное увеличение длины распространения при комнатной температуре связано с заселением долгоживущих тёмных экситонных состояний и состояний с большим квазиимпульсом, что увеличивает эффективное время жизни. 4. Управление экситонными свойствами с помощью электрического поля Было проведено исследование влияния электрического поля на экситонный отклик и транспорт. Было показано, что для экситонного резонанса характерно резкое увеличение интенсивности ФЛ и длины распространения в точке нейтральности, где концентрация свободных носителей минимальна. Это обусловлено подавлением экранирующего взаимодействия экситонов со свободными зарядами. В противоположность этому, трионный резонанс (связанное состояние экситона и свободного носителя) проявляет максимальную интенсивность вдали от точки нейтральности, а его длина распространения демонстрирует слабую зависимость от приложенного напряжения. Эти результаты подчёркивают различную физическую природу экситонных и трионных состояний и их чувствительность к электронной среде. 5. Разработка теоретического формализма для описания переноса экситонов В рамках проекта был получен важный теоретический результат: выведена система макроскопических уравнений, описывающих перенос экситонного газа в двумерных материалах в гидродинамическом режиме. Формализм основан на уравнении Вигнера-Больцмана, которое выводится из фундаментального квантового кинетического уравнения для матрицы плотности посредством преобразования Вигнера. Данный подход позволяет учесть квантовые поправки, в частности, потенциал Бома, что существенно для корректного описания экситонной динамики в наномасштабных системах. Выведенные уравнения создают теоретическую основу для интерпретации экспериментальных данных по экситонному транспорту и предсказания новых эффектов в условиях сильной неидеальности и корреляций.