Реализация квантового кинетического уравнения для графена на основе модели сильного взаимодействия ближайших соседей

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Представлена реализация квантового кинетического уравнения для электронной подсистемы графена, полностью отражающая характеристики и особенности модели сильной связи ближайших соседей по кристаллической решетке для этого материала. В отличие от версии, построенной на основе приближения безмассовых фермионов, предложенное решение свободно от ограничения на допустимые значения энергии рассматриваемых состояний. Это обеспечивает возможность численно моделировать процессы заселения электронных состояний в зоне проводимости и их эволюцию во внешнем электрическом поле в расширенном диапазоне частот и значений напряженности поля. Последнее важно для исследования сверхбыстрой динамики электронов и нелинейных эффектов в этом перспективном материале. Выполнено сравнение результатов использования кинетического уравнения при ограничении энергии возбуждаемых состояний непосредственной окрестностью точки Дирака, где результаты новой реализации и приближения безмассовых фермионов ожидаемо близки. Вне таких ограничений продемонстрированы качественные и количественные различия, учет которых необходим для корректного моделирования процессов в сильных полях.

Об авторах

Анатолий Дмитриевич Панферов

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

ORCID iD: 0000-0003-2332-0982
Scopus Author ID: 24384266800
ResearcherId: AAO-7735-2021
410012, Россия, г. Саратов, ул. Астраханская, 83

Илья Алексеевич Щербаков

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

ORCID iD: 0009-0003-0599-3099
410012, Россия, г. Саратов, ул. Астраханская, 83

Список литературы

  1. Higuchi T., Heide Ch., Ullmann K., Weber H. B., Hommelhof P. Light-field-driven currents in grapheme // Nature. 2017. Vol. 550. P. 224–228. https://doi.org/10.1038/nature23900
  2. Aryasetiawan F., Gunnarsson O. The GW method // Rep. Prog. Phys. 1998. Vol. 61. P. 237. https://doi.org/10.1088/0034-4885/61/3/002
  3. Golze D., Dvorak M., Rinke P. The GW Compendium: A Practical Guide to Theoretical Photoemission Spectroscopy // Frontiers in Chemistry. 2019. Vol. 7. Article number 377. https://doi.org/10.3389/fchem.2019.00377
  4. Provorse M. R., Isborn Ch. M. Electron Dynamics with Real-Time Time-Dependent Density Functional Theory // International Journal of Quantum Chemistry. 2016. Vol. 116 P. 739–749. https://doi.org/10.1002/qua.25096
  5. Mocci P., Malloci G., Bosin A., Cappellini G. Time-Dependent Density Functional Theory Investigation on the Electronic and Optical Properties of Poly-C,Si,Ge-acenes // ASC Omega. 2020. Vol. 5. P. 16654–16663. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c01516
  6. Wilhelm J., Grössing P., Seith A., Crewse J., Nitsch M., Weigl L., Schmid Chr., Evers F. Semiconductor Bloch-equations formalism: Derivation and application to high-harmonic generation from Dirac fermions // Phys. Rev. B. 2021. Vol. 103. Article number 125419. https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.103.125419
  7. Ornigotti M., Carvalho D. N., Biancalana F. Nonlinear optics in graphene: Theoretical background and recent advances // La Rivista del Nuovo Cimento. 2023. Vol. 46. P. 295–380. https://doi.org/10.1007/s40766-023-00043-8
  8. Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Katsnelson M. I., Grigorieva I. V., Dubonos S. V., Firsov A. A. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene // Nature. 2005. Vol. 438. P. 197–200. https://doi.org/10.1038/nature04233
  9. Castro Neto A. H., Guinea F., Peres N. M. R., Novoselov K. S., Geim A. K. The electronic properties of graphene // Rev. Mod. Phys. 2009. Vol. 81. P. 109–162. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.109
  10. Katsnelson M. I. The Physics of Graphene. Cambridge University Press, 2020. 425 p. https://doi.org/10.1017/9781108617567
  11. Гриб A. A., Мамаев С. Г., Мостепаненко В. М. Вакуумные квантовые эффекты в сильных полях. М. : Энергоатомиздат, 1988. 288 с.
  12. Bialynicky-Birula I., Gornicki P., Rafelski J. Phase space structure of the Dirac vacuum // Phys. Rev. D. 1991. Vol. 44. P. 1825–1835. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.44.1825
  13. Schmidt S. M., Blaschke D., Röpke G., Smolyansky S. A., Prozorkevich A. V., Toneev V. D. A Quantum kinetic equation for particle production in the Schwinger mechanism // Int. J. Mod. Phys. E. 1998. Vol. 7. P. 709–718. https://doi.org/10.1142/S0218301398000403
  14. Blaschke D. B., Prozorkevich A. V., Röpke G., Roberts C. D., Schmidt S. M., Shkirmanov D. S., Smolyansky S. A. Dynamical Schwinger effect and high-intensity lasers. Realising nonperturbative QED // Eur. Phys. J. D. 2009. Vol. 55. P. 341–358. https://doi.org/10.1140/epjd/e2009-00156-y
  15. Panferov A., Smolyansky S., Blaschke D., Gevorgyan N. Comparing two different descriptions of the I–V characteristic of graphene: Theory and experiment // EPJ Web Conf. 2019. Vol. 204. Article number 06008. https://doi.org/10.1051/epjconf/201920406008
  16. Smolyansky S. A., Panferov A. D., Blaschke D. B., Gevorgyan N. T. Nonperturbative kinetic description of electron-hole excitations in graphene in a time dependent electric field of arbitrary polarization Particles. 2019. Vol. 2. P. 208–230. https://doi.org/10.3390/ particles2020015
  17. Smolyansky S. A., Blaschke D. B., Dmitriev V. V., Panferov A. D., Gevorgyan N. T. Kinetic equation approach to graphene in strong external fields // Particles. 2020. Vol. 3. P. 456–476. https://doi.org/10.3390/particles3020032
  18. Панферов А. Д., Новиков Н. А. Характеристики индуцированного излучения в условиях действия на графен коротких высокочастотных импульсов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2023. Т. 23, вып. 3. С. 254–264. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2023-23-3-254-264
  19. Церюпа В. А., Чурочкин Д. В., Дмитриев В. В., Смолянский С. А. Излучение в графене: кинетический подход // Журнал технической физики. 2024. Т. 94, вып. 3. С. 351–357. https://doi.org/10.61011/JTF.2024.03.57371.1-24
  20. Wallace P. R. The Band Theory of Graphite // Phys. Rev. 1947. Vol. 71. P. 622–634. https://doi.org/10.1103/PhysRev.71.622
  21. Martin P. C., Schwinger J. Theory of many-particle systems. I // Phys. Rev. 1959. Vol. 115. P. 1342–1373. https://doi.org/10.1103/PhysRev.115.1342
  22. Ахиезер A. И., Пелетминский С. В. Методы статистической физики. М. : Наука, 1977. 367 с.
  23. Sipe J. E., Shkrebtii A. I. Second-order optical response in semiconductors // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 61. P. 5337–5352. https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.61.5337
  24. Ishikawa K. L. Nonlinear optical response of graphene in time domain // Phys. Rev. B. 2010. Vol. 82. Article number 201402. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82. 201402
  25. Yoshikawa N., Tamaya T., Tanaka K. High-harmonic generation in graphene enhanced by elliptically polarized light excitation // Science. 2017. Vol. 356. P. 736–738. https://doi.org/10.1126/science.aam8861
  26. Sato Sh. A., Hirori H., Sanari Y., Kanemitsu Y., Rubio A. High-order harmonic generation in graphene: Nonlinear coupling of intraband and interband transitions // Phys. Rev. B. 2021. Vol. 103. Article number. L041408. https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L041408
  27. Reich S., Maultzsch J., Thomsen C. Tight-binding description of grapheme // Phys. Rev. B. 2002. Vol. 669. Article number 035412. https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.66.035412
  28. Панферов А. Д., Поснова Н. В., Ульянова А. А. Моделирование поведения двухуровневой квантовой системы с использованием масштабируемых регулярных сеток // Программные системы: теория и приложения. 2023. Т. 14, вып. 2. С. 27–47. https://doi.org/10.25209/2079-3316-2023-14-2-27-47
  29. Gil-Villalba A., Meyer R., Giust R., Rapp L., Billet C., Courvoisier F. Single shot femtosecond laser nanoablation of CVD monolayer graphene // Scientific Reports. 2018. Vol. 8. Article number 14601. https://dx.doi.org/10.1038/s41598-018-32957-3
  30. Weitz T., Heide Chr., Hommelhoff P. Strong-Field Bloch Electron interferometry for Band Structure Retrieval // arXiv:2309.16313v1. https:// doi. org/10.48550/arXiv.2309.16313

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».