Физики впервые увидели экситоны в двухслойном графене
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 А. 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.
В данной работе ученые сообщают об успешном наблюдении экситонов с помощью фототоковой спектроскопии (photocurrent spectroscopy) в высококачественных образцах двухслойного графена. Для этого они поместили частички графена, удерживаемые листами из гексагонального нитрида бора, на графитовую подложку и накрыли их сверху полупрозрачным слоем из сплава никеля и хрома.
Чтобы измерять ток, возникающий при действии на образец инфракрасного излучения, экспериментаторы подключили к нему золотые электроды. Оптический спектр поглощения графена ученые нашли,
величину тока, возникающего при облучении графена, и задержку между световыми импульсами.
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.
Кроме того, физики определили некоторые свойства экситонов. Например, g-фактор частиц оказался равен примерно g = 19,8 ± 0,1. Это делает перспективным использование двухслойного графена в вэллитронике (valleytronics), например, при разработке инфракрасных детекторов или лазеров. Также ученые изучили диамагнитные свойства экситонов и нашли их примерный радиус, который в 1s-состоянии составил около шести нанометров.
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
Статистическая значимость наблюдения составила около семи стандартных отклонений
В эксперименте SND@LHC на Большом адронном коллайдере зарегистрировали мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. Это второй эксперимент на Большом адронном коллайдере, который сообщил о надежной регистрации нейтрино. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Нейтрино — элементарная частица, которая обладает крайне малой массой и слабо взаимодействует с веществом. При этом она играет важную роль в физике. До недавнего времени свойства нейтрино изучали в основном в области низких или сверхвысоких энергий, и широкий диапазон от 350 гигаэлектронвольт до 10 тераэлектронвольт оставался неизученным. Наземным источником нейтрино в этом диапазоне энергий является Большой адронный коллайдер. Однако проблема заключается в том, что большая часть рождающихся в нем нейтрино летит вдоль протонного пучка — в слепой зоне основных детекторов, расположенных на коллайдере. Кроме того, из-за малого сечения взаимодействия, нейтринные события сложно выделить на фоне громадной загрузки детекторов от взаимодействий других частиц. Мы недавно писали, что с этой задачей справился эксперимент FASER, впервые зарегистрировав 153 мюонных нейтрино со статистической значимостью 16 стандартных отклонений. Физики из эксперимента SND@LHC сообщили, что им также удалось зарегистрировать мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. В отличие от эксперимента FASER, который регистрирует нейтрино с псевдобыстротами более 8,5, чувствительная область SND@LHC сдвинута от основной оси ускорителя, в результате чего он покрывает диапазон псевдобыстрот от 7,2 до 8,4. В этой области одним из основных источников нейтрино являются распады очарованных адронов, вклад которых в эксперименте FASER пренебрежимо мал. Детектор состоит из мюонного вето, 830-килограммовой мишени и адронного калориметра. Основная мишень поделена на пять слоев, каждый из которых включает вольфрамовую пластину, ядерную фотоэмульсию и электронный трекер. Данные с фотоэмульсий на данный момент еще обрабатываются, поэтому ученые провели анализ данных, набранных только при помощи электронных трекеров. Физики отобрали 8 событий по их геометрическому расположению в детекторе и сигнатуре, соответствующей ожидаемой от мюонных событий. При этом ожидаемый фон составил 0,086 события. Такое превышение сигнала над фоном исключает нулевую гипотезу на уровне 6,8 стандартного отклонения. Количество нейтринных событий в эксперименте оказалось больше ожидаемых 4,2 события. Однако результаты согласуются с предсказанием на основе компьютерного моделирования в рамках полученных ошибок. Большой адронный коллайдер становится новым инструментом для изучения нейтрино в пока плохо изученной области энергий. О том, какие новые технологии используют при изучении нейтрино в области низких энергий мы беседовали с Дмитрием Акимовым, представителем коллаборации COHERENT.