• Теория поверхностных электронных состояний и плазменных волн в низкоразмерных электронных системах
  
  

  Теория поверхностных электронных состояний и плазменных волн в низкоразмерных электронных системах, таких как квантовые ямы GaAs/GaAlAs, графен, топологические изоляторы и др. Исследования носят в основном фундаментальный характер, а их целью является описание необычных свойств и поиск новых электронных волн в низкоразмерных электронных системах, а также объяснение вновь появляющихся экспериментальных результатов.

• Экспериментальные исследования низкоразмерных электронных систем
  
  

  Экспериментальные исследования низкоразмерных электронных систем: транспортные измерения, электронная микроскопия и наностроктурирование образцов с помощью фокусированного ионного пучка таких матриалов, как проводники с волной зарядовой плотности (NbSe3, TaS3, TbTe3), тонкий графит и графен, топологические изоляторы, сверхпроводники на основе железа (FeSe)

• Околозатворные плазмоны

  Впервые рассмотрен эффект гибридизации экранированных и неэкранированных плазмонов. Теоретически предсказана, и затем открыта принципиально новая «околозатворная» плазменная мода, которая возбуждается в гибридной системе, состоящей из полоски затвора с высокой проводимостью, расположенной в непосредственной близости от 2D электронной системы. Было установлено, что эта мода, распространяясь вдоль полоски, не имеет узлов плотности заряда и потенциала в поперечном направлении. Спектр околозатворного плазмона сочетает в себе характерные черты как экранированных, так и неэкранированных двумерных плазмонов. Экспериментально установлено, что эта мода проявляет аномально сильное взаимодействие со светом. Также была разработана теория околозатворных плазмонных колебаний в Ван дер Ваальсовской гетероструктуре, состоящей из проводящего слоя, отделённого от металлического электрода в виде диска, тонким диэлектрическим слоем. Показано, что в такой системе возникают околозатворные плазмоны, частоты которых «квантуются» размером затвора, причём данные плазмоны являются квазистационарными, т.е. имеют конечное время жизни по отношению к распаду в континуум 2D плазмонов, существующих вдали от затвора. Найдено, что исследованные околозатворные плазмоны проявляются в виде резонансов в рассеянии плазменной волны, падающей на экранированную область системы.

  Рис. (Левая панель) Схематический вид рассматриваемой Ван дер Ваальсовской структуры с затвором в виде диска. (Правая панель) Распределение электрического потенциала при рассеянии плазменной волны с частотой вблизи частоты околозатворного плазмона с азимутальным числом 4.

  Публикации:
  
  • A.A. Zabolotnykh, V.A. Volkov «Plasmons and magnetoplasmons in partially bounded two-layer electron systems», Phys. Rev. B 102, 165306 (2020).
  • A.A. Zabolotnykh, V.V. Enaldiev, V.A. Volkov «Quasistationary near-gate plasmons in van der Waals heterostructures», Phys. Rev. B 104, 195435 (2021).

• Плазменные солитоны в экранированных двумерных электронных системах

  Аналитически изучены плазменные солитоны в двумерной электронной системе, помещенной между двумя идеальными металлическими электродами (затворами) в рамках непертурбативного модельного подхода. Такой подход, в отличие от пертурбативного подхода, позволяет найти условия существования солитонов и их форму в режиме за пределами слабой нелинейности — когда отклонение концентрации, связанное с возбуждением солитона, имеет тот же порядок, что и равновесная концентрация. Определены условия существования солитона и найдена связь между его амплитудой, шириной и скоростью

  Публикации:
  
  • A. A. Zabolotnykh «Plasma solitons in gated two-dimensional electron systems: Exactly solvable analytical model for the regime beyond weak nonlinearity», Phys. Rev. B. 105, L201403 (2022).

• Плазменные колебания в латерально ограниченных двумерных электронных системах

  Проведен теоретический анализ плазменных колебаний в двумерной электронной системе, описываемой друдевской моделью проводимости, в геометрии диска и полосы с учётом эффектов электромагнитного запаздывания, т.е. в том числе в режиме, когда длина волны плазмона и соответствующая длина волны света одного порядка. Найдены спектры поглощения электромагнитного излучения в диске, из которых найдены зависимости частоты и затухания плазменных мод от параметров системы. Показано, что затухание этих мод не является простой суммой радиационного и столкновительного уширений. На основе данного анализа могут быть найдены параметры двумерной электронной системы для достижения максимальной добротности плазменных резонансов.

  Рис. Зависимость поглощаемой диском мощности от частоты внешнего электромагнитного излучения для осесимметричной плазменной моды. Пики отвечают различным радиальным гармоникам. На вставке схематично показано внешнее электромагнитного излучение, возбуждающее осесимметричную плмазменную моду с чисто радиальным движением зарядов.

  Публикации:
  
  • I.V. Zagorodnev, A.A. Zabolotnykh, D.A. Rodionov, V.A. Volkov «Two-Dimensional Plasmons in Laterally Confined 2D Electron Systems», Nanomaterials 13, 975 (2023).
  • D.A. Rodionov, I.V. Zagorodnev «Oscillations in the radiative damping of plasma resonances in a gated disk of 2D electron gas», Phys. Rev. B 106, 235431.
  • I.V. Zagorodnev, D.A. Rodionov, A.A. Zabolotnykh «Effect of retardation on the frequency and linewidth of plasma resonances in a two-dimensional disk of electron gas», Phys. Rev. B 103, 195431 (2021).

• Неравновесное основное состояние волны зарядовой плотности в квазидвумерном соединении TbTe₃

  Исследована временная зависимость релаксации неравновесной волны зарядовой плотности (ВЗП) к равновесному основному состоянию в соединении TbTe₃ в следующем режиме: образец охлаждается до заданной температуры, а затем изотермически экспонируется в течение длительного времени под воздействием постоянного электрического поля. Если величина электрического поля ниже порогового значения при котором начинается депиннинг ВЗП, система медленно релаксирует к основному состоянию с повышенным пиннингом. Если же при охлаждении и экспонировании поддерживается электрическое поле выше порогового, то система переходит в некоторое промежуточное состояние, которое можно дестабилизировать только уменьшением электрического поля ниже порогового. Полученные результаты можно интерпретировать как взаимодействие ВЗП с хорошо упорядоченной несоизмеримой структурой атомов теллура.

  Рис. (а), (b) Цветовые карты эволюции дифференциальных ВАХ при экспонировании TbTe3 при температуре T = 280 K в режимах статической ВЗП (электрическое поле через образец соответствует току экспонирования Iexp=0 мА, временные отрезки B-C и D-E) и депиннингованной ВЗП (ток экспонирования Iexp=3.5 мА, временные отрезки A-B и E-F). (c), (d) Дифференциальные ВАХ в точках A (красный), B (зеленый) и C (синий) на (c) и в точках D (красный), E (зеленый) и F (синий). в (d). Розовые линии обозначают ток экспозиции. При смене режимов экспонирования происходит изменение состояния, в которое релаксирует ВЗП.

  Публикации:
  
  • A. V. Frolov, A. P. Orlov, D. M. Voropaev, A. Hadj-Azzem, A.A. Sinchenko, P. Monceau «Non-equilibrium charge density wave ground state of quasi-two-dimensional rare-earth tritelluride TbTe3», Applied Physics Letters 118, 253102 (2021).

Сотрудники лаборатории активно участвуют в подготовке кадров и работе со студентами, читают курсы на базовых кафедрах при МФТИ и НИУ ВШЭ: «Низкоразмерные электронные системы» (А.А. Заболотных), «Избранные вопросы физики твердого тела» (И.В. Загороднев), «Симметрия и теория групп в физике» (И.В. Загороднев), «Топология и симметрия в физике» (И.В. Загороднев).

Описание имеющегося в лаборатории оборудования с фотографиями представлено на сайте