У графені вперше безпосередньо спостерегли переходи Ландау — Ценера — Майорани
У графені безпосередньо простежили квантові переходи Ландау — Ценера — Майорани та рух електронів у масштабі субциклів світла.
Дослідники безпосередньо простежили в графені переходи Ландау — Ценера — Майорани — квантовий механізм, за якого сильне електричне поле переводить електрони між енергетичними зонами. Експеримент дав змогу побачити, як розподіл електронів змінюється в усьому першому зоні Бріллюена в масштабі частки періоду світлової хвилі.
Знімки електронної динаміки
Як повідомляє Nature, для досліду використали одношаровий епітаксійний графен на карбіді кремнію. Матеріал опромінювали інтенсивними стабільними за фазою імпульсами середнього інфрачервоного діапазону з центральною частотою 30 ТГц. Через контрольовану затримку електрони реєстрували імпульсами екстремального ультрафіолету з енергією фотонів 21,7 еВ.
Фотоемісійний імпульсний мікроскоп одночасно визначав два компоненти імпульсу та кінетичну енергію кожного фотоелектрона. Це дозволило отримати зображення динаміки електронів у всій першій зоні Бріллюена, включно з шістьма її кутами, із часовою роздільною здатністю менш як 10 фемтосекунд. Автори зазначили, що нова платформа збільшила доступну для спостереження ділянку імпульсного простору більш ніж у 100 разів, а доступну напруженість поля — на порядок порівняно з попередніми підходами.
Прискорення та зміна форми розподілу
Під дією поля електронний розподіл у графені зміщувався вздовж напрямку поляризації, що відповідає внутрішньозонному прискоренню носіїв заряду. Водночас його форма змінювалася: спочатку майже круглий розподіл ставав витягнутим. Після перших циклів інфрачервоного поля ширина розподілу вздовж поля зросла з 0,054 до 0,096 Å⁻¹, тоді як у перпендикулярному напрямку зміна становила 0,014 Å⁻¹.
Таке одночасне зміщення й деформація розподілу, за результатами роботи, відображають взаємодію внутрішньозонної динаміки з міжзонними переходами Ландау — Ценера — Майорани. Дослідники також зафіксували швидке зростання кількості електронів у зоні провідності під час найсильніших півциклів поля.
Час когерентного руху
За виміряним зсувом фаз між світловим полем і струмом автори оцінили середній час розсіювання електронів у 9,0 ± 0,7 фемтосекунди. Середня затримка становила 4,9 ± 0,2 фемтосекунди — менше за 8,3 фемтосекунди, очікувані для повністю когерентної еволюції. Попри короткий час розсіювання, завдяки високій швидкості Фермі електрони можуть проходити майже 100 Å. Автори пов’язують ці параметри з часовими та просторовими масштабами, важливими для світлохвильової електроніки.
