Дальние соседи повлияли на излучение атомов в графене

Китайские физики построили теорию, описывающую процесс генерации старших гармоник при облучении графена интенсивным лазерным полем с учетом влияния на атомы их дальних соседей. Расчеты ученых показали, что в этом случае атомы третьей координационной сферы во многом формируют ориентационную чувствительность генерации. Исследование опубликовано в Physical Review A.

С развитием лазерных технологий нелинейная оптика вышла на новый уровень благодаря существенному росту достигаемой интенсивности. Рекордным на сегодняшний день значением интенсивности считается величина 1023 ватт на квадратный сантиметр, полученная недавно южнокорейскими физиками. Теоретики утверждают, что при такой интенсивности станет возможным наблюдение эффектов вакуумной нелинейности, включая генерацию старших гармоник и рождение электрон-позитронных пар.

В газах и твердых телах генерация старших гармоник наблюдается экспериментально уже несколько лет. В последнем случае ее угловая зависимость несет структурную информацию о кристалле. Особый интерес при этом представляет графен, как носитель необычных оптических свойств. На сегодняшний день существует несколько пионерских исследований генерации старших гармоник в графене, но все они основываются на простой модели, учитывающей взаимодействие атомов только с ближайшими соседями. Вместе с тем рост интенсивности излучения, используемого для экспериментального исследования нелинейных эффектов, должен вовлекать во взаимодействие атомы с более удаленных координационных оболочек.

Учесть влияние других оболочек смогли китайские теоретики из Хуачжунского университета науки и технологии при участии Пэйсян Лу (Peixiang Lu). Их расчеты свидетельствуют о том, что при описании процессов генерации старших гармоник влияние атомов третьей координационной оболочки становится существенным и не может быть отброшено.

Чтобы учесть и ближних, и дальних соседей, физики строили базисные вектора в виде линейной комбинации атомов из первой, второй и третьей координационной оболочки. Этот базис затем использовался для разложения блоховского состояния, в которое переходят электроны в периодических потенциалах, а для построения дисперсионных соотношений таких электронов применялась теория функционала плотности. Авторы использовали соответствующее решение оптических уравнений блоха для вычисления токов, индуцированных внешним лазерным полем с переменным направлением линейной поляризации. Квадрат фурье-образа этих токов давал интенсивность старших гармоник, переизлучаемых графеном.

(a) Структура графена. Штрихованной линией показаны три координационные оболочки, на которых лежат соседние атомы. (б) Дисперсионные соотношения, полученные в рамках теории функционала плотности (сплошная линия), а также полученные решением линейных уравнений в приближении сильной связи с учетом только ближайших соседей (пунктирная линия) и атомов из третьей координационной оболочки (штрихованная линия).

В результате моделирования физики получили зависимости интенсивностей нечетных гармоник от угла между направлением поляризации лазера и осью графена. Четные гармоники равны нулю в силу симметрии кристаллической решетки. Результаты также были исследованы на зависимость от интенсивности падающего света. Ориентационная зависимость в большинстве случаев имела ярко выраженный анизотропный характер, наследуя симметрию решетки.

Рассчитанные ориентационные зависимости излучения нечетных гармоник для различных интенсивностей падающего света

Для анализа получившейся анизотропии авторы сравнивали межзонные и внутризонные вклады в ток. Оказалось, что для всех ориентаций и интенсивностей лазера первый тип тока доминирует над вторым. Исследуя вклады в межзонный ток от различных координационных сфер физики обнаружили, что вклад от второй из них довольно мал, в то время как вклады от первой и третьей начинают интерферировать, что и объясняет сильную анизотропию. Это доказывает важность учета дальних координационных сфер при исследовании генерации старших гармоник на графене.

Генерация старших гармоник давно стала надежным инструментов физиков. Мы уже писали, как они этот процесс помог создать неклассические состояния света в атомном ансамбле.

Марат Хамадеев

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 17.09.2021 в 22:45

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии