Ученые из США и Японии впервые увидели экситоны в двухслойном графене с помощью фототоковой спектроскопии. Статья опубликована в Science.
Двухслойный графен впервые был описан в 2004 году наряду с «обычным», однослойным графеном группой ученых под руководством К. Гейма. Двухслойный графен состоит из двух близко расположенных листов обычного графена, так что электроны могут туннелировать из одного слоя в другой. Это приводит к необычному закону дисперсии для носителей заряда (электронов и дырок). Ширину запрещенной зоны в двухслойном графене можно легко контролировать, что позволяет подробно исследовать двумерную физику за пределами обычных полупроводников.
Существование экситонов (квазичастиц, состоящих из электрона и дырки) в двухслойном графене ранее предсказывалось теоретически. Однако экспериментально наблюдать экситоны в нем пока не удавалось из-за сильных неоднородностей используемых подложек. Кроме того, эксперименты над ультрачистым графеном осложняются небольшим размером образцов.
Таким образом, ученые увидели в спектре графена два острых пика. При приложении внешнего напряжения к образцу эти пики сдвигались в сторону больших энергий. В принципе, такую форму спектра могут вызвать не только экситонные переходы, но и другие процессы. Однако физики исключили их, исследовав смещение положения пиков при добавлении в графен дополнительных электронов и дырок и сравнивая экспериментальные данные с теоретическими предсказаниями. В конце концов, ученые пришли к выводу, что пику с меньшей энергией отвечает переход экситонов в возбужденное состояние 1s, а пику с большей — в состояние 2p. В частности, в пользу этой гипотезы говорит то, что отношение амплитуд пиков (около 0,05) совпадает с теоретически рассчитанной величиной.
Недавно мы писали, как химики отфильтровали виски с помощью мембраны из оксида графена. А подробнее про экситоны можно прочитать в нашем материале «Зоопарк квазичастиц».
Дмитрий Трунин
