Zkoumání fyzikálních vlastností nových systémů kondenzovaných látek v rámci kvazičásticové aproximace

• Název práce v češtině: Zkoumání fyzikálních vlastností nových systémů kondenzovaných látek v rámci kvazičásticové aproximace
• Název v anglickém jazyce: Investigating the physical properties of novel condensed matter systems within quasiparticle approximation
• Klíčová slova: Kvazičástice|excitony|magnony|dvourozměrné materiály|polovodiče|polovodičové Blochovy rovnice|k∙p aproximace|Greenovy funkce
• Klíčová slova anglicky: Quasiparticles|excitons|magnons|two-dimensional materials|semiconductors|semiconductor Bloch equations|k∙p approximation|Green’s functions
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
• Vedoucí / školitel: Artur Slobodeniuk, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Conventional Semiconducting Bloch equations (SBE) describe the electron-photon interaction in bulk semiconductors; hence, they are a natural tool for theoretically calculating the optical properties of studied materials. The main goal for the student will be to derive the multiband SBE for the case of (quasi)two-dimensional crystals and use them to calculate the optical response of such crystals under irradiation by resonant and non-resonant light pulses. Using semiconducting transition metal dichalcogenide (TMD) monolayers as an example of such two dimensional systems the student should solve SBE for different directions of the incident light. Based on the solutions the excitonic shifts of so-called “bright” and “dark” excitons should be derived as functions of the parameters of the incoming light. The next step for the student will be the study of the non-linear optical response of TMDs. Again using the solutions of the multiband SBE the high-harmonic emission spectra of the light outcoming from the sample (after the irradiation by the strong laser pulse) will be evaluated. The next challenge for the student will be to analyze the contributions of the electron-phonon and electron-electron interactions to the relaxation properties in two-dimensional semiconductors. Namely, using the non-equilibrium Green’s functions (GF) approach for the electron excitations in TMD the student will derive the effective SBE from the equations on GF. This method allows us to evaluate the relaxation times currently used as the phenomenological parameters in numerical simulations of SBE. Finally, the developed SBE and Green’s function approaches will be applied to other types of quasiparticles (like magnons) in other (quasi)two-dimensional systems.

Seznam odborné literatury

[1] Koperski, Maciej, Molas, Maciej R., Arora, Ashish, Nogajewski, Karol, Slobodeniuk, Artur O., Faugeras, Clement and Potemski, Marek. "Optical properties of atomically thin transition metal dichalcogenides: observations and puzzles" Nanophotonics, vol. 6, no. 6, pp. 1289-1308 (2017); https://doi.org/10.1515/nanoph-2016-0165

[2] A. O. Slobodeniuk, P. Koutenský, M. Bartoš, F. Trojánek, P. Malý, T. Novotný, M. Kozák. “Semiconductor Bloch equation analysis of optical Stark and Bloch-Siegert shifts in monolayers WSe2 and MoS2” Phys. Rev. B 106, 235304 (2022); https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.106.235304

[3] A. O. Slobodeniuk, D. M. Basko. “Spin-flip processes and radiative decay of dark intravalley excitons in transition metal dichalcogenide monolayers” 2D Materials 3, 035009 (2016); https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/3/3/035009/meta

[4] Cheng Gong, Lin Li, Zhenglu Li, Huiwen Ji, Alex Stern, Yang Xia, Ting Cao, Wei Bao, Chenzhe Wang, Yuan Wang, Z. Q. Qiu, R. J. Cava, Steven G. Louie, Jing Xia and Xiang Zhang. "Discovery of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional van der Waals crystals", Nature 546, 265–269 (2017). https://doi.org/10.1038/nature22060

[5] Yuan Cao, Valla Fatemi, Shiang Fang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Efthimios Kaxiras & Pablo Jarillo-Herrero. "Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices", Nature 556, 43–50 (2018); https://doi.org/10.1038/nature26160

Předběžná náplň práce

Nedávno objevené dvourozměrné krystaly, jako je grafen, dichalkogenidy přechodných kovů, stejně jako jejich heterostruktury, vykazují jedinečné fyzikální vlastnosti, které se odchylují od vlastností odpovídajících objemových krystalů. Proto jsou tyto materiály vhodnými kandidáty pro nové aplikace a potenciálně i pro nová zařízení. Například polovodivé monovrstvy dichalkogenidů přechodových kovů (TMD) vykazují jedinečné optické vlastnosti, kterým dominují údolní excitony, těsně vázané páry elektron-díra. Excitonové stavy v TMD mají bohatou jemnou strukturu a jejich vlastnosti mohou být ovlivněny elektrickými a magnetickými poli. To dává těmto materiálům perspektivu pro optoelektronické aplikace. Nedávno objevené dvourozměrné magnetické materiály jsou dalším novým systémem kondenzovaných látek, jehož hlavní vlastnosti jsou definovány magnonovými excitacemi. Tyto materiály jsou vhodnými kandidáty pro budoucí aplikace v oblasti zpracování a ukládání kvantové informace. Heterostruktury založené na těchto materiálech mohou vykazovat nové fenomény, které v jednotlivých složkách neexistují. Nejúčinější přístup ke zkoumání vlastností takových systémů je založen na studiu kvazičástic přirozeně se vyskytujících v těchto systémech. Teoretické metody založené na kvazičásticové aproximaci zahrnují metodu Greenových funkcí (rovnovážných i nerovnovážných), polovodičové Blochovy rovnice a kinetické rovnice. Tyto metody poskytují mocný nástroj pro zkoumání vlastností výše zmíněných nových materiálů.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Recently discovered two-dimensional crystals, like graphene, and transition metal dichalcogenides, as well as their heterostructures, demonstrate unique physical properties, that deviate from the properties of the corresponding bulk crystals. Therefore such materials are good candidates for novel applications and potentially for new devices. For example, semiconducting transition metal dichalcogenide monolayers (TMD) demonstrate the unique optical properties dominated by the valley excitons, tightly-bound electron-hole pairs. The exciton states in TMD have a rich fine structure and their properties can be manipulated by electric and magnetic fields. It makes these materials perspective for optoelectronic applications. The recently discovered two-dimensional magnetic materials are another novel condensed matter systems whose main properties are defined by magnon excitations. These materials are good candidates for future applications in quantum processing and storage. The heterostructures, based on these materials can demonstrate new emergent phenomena, which don't exist in their constituents. The most powerful approach to investigating the properties of such systems is based on the study of the quasiparticles that naturally appear in these systems. The theoretical methods based on quasiparticle approximation include Green's functions methods (equilibrium and non-equilibrium ones), Semiconductor Bloch equations, as well as kinetic equations. These methods provide a powerful tool to investigate the properties of new aforementioned materials.