ULTRAFAST EXCITON TRANSPORT IN VAN DER WAALS HETEROSTRUCTURES

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Excitons in van der Waals heterostructures based on atomically thin transition metal dichalco-genides  are  considered  as  potential  candidates  for   the   formation  of   a   superfluid  state in  two-dimensional  systems.  A  number   of   studies   reported observations   of   ultrafast nondiffusive   prop-agation  of  excitons  in  van  der  Waals  heterostructures,   which  was  considered by  their  authors  as possible  evidence  of collective  effects  in  excitonic  systems.   In   this   paper, after a brief analysis of exciton propagation regimes in  two-dimensional  semiconductors,  an alternative model  of  ultra-fast  exciton  transport  is  proposed,  based  on  the  formation   of  waveguide modes in van der Waals heterostructures and the radiation transfer by these modes.
Article for the special issue of JETP dedicated to the 130th anniversary of P. L. Kapitsa. 

About the authors

M. M. Glazov

Ioffe Institute

Email: glazov@coherent.ioffe.ru
Russian Federation, 194021, St. Petersburg

R. A. Suris

Ioffe Institute

Author for correspondence.
Email: glazov@coherent.ioffe.ru
Russian Federation, 194021, St. Petersburg

References

  1. P. Kapitza, Nature 141, 74 (1938).
  2. J. F. Allen and A. D. Misener, Nature 141, 75 (1938).
  3. L. D. Landau, J. Phys. (USSR) 5, 71 (1941).
  4. N. N. Bogolyubov, J. Phys. (USSR) 11, 23 (1947).
  5. R. P. Feynman, Phys. Rev. 91, 1291 (1953).
  6. Oliver Penrose and Lars Onsager, Phys. Rev. 104, 576 (1956).
  7. L.P. Pitaevskii and S. Stringari, Bose-Einstein Condensation, Clarendon Press, Oxford (2003).
  8. J. Frenkel, Phys. Rev. 37, 17 (1931).
  9. G. H. Wannier, Phys. Rev. 52, 191 (1937).
  10. N. F. Mott, Proc. Roy. Soc. A 167, 384 (1938).
  11. E. F. Gross and N. A. Karrjew, Dokl. Akad. Nauk SSSR 84, 471 (1952).
  12. S. A. Moskalenko, Sov. Phys. Solid State 4, 199 (1962).
  13. J. M. Blatt, K. W. B¨oer, and W. Brandt, Phys. Rev. 126, 1691 (1962).
  14. L. V. Keldysh and A. N. Kozlov, Sov. Phys. JETP 27, 521 (1968).
  15. V. A. Gergel’, R. F. Kazarinov, and R. A. Suris, Sov. Phys. JETP 27, 159 (1968).
  16. V. M. Agranovich and B. S. Toshich, Sov. Phys. JETP 26, 104 (1968).
  17. V. L. Berezinskiˇı, Sov. Phys. JETP 32, 493 (1971).
  18. J. M. Kosterlitz and D. J. Thouless, J. Phys. C 6, 1181 (1973).
  19. Yu. E. Lozovik and V. I. Yudson, JETP Lett. 22, 274 (1975).
  20. L. V. Butov, A. Zrenner, G. Abstreiter, G. B¨ohm, and G. Weimann, Phys. Rev. Lett. 73, 304 (1994).
  21. L. V. Butov, J. Phys.: Condens. Matter. 16, R1577 (2004).
  22. A. V. Gorbunov and V. B. Timofeev, JETP Lett. 84, 329 (2006).
  23. J. Kasprzak, M. Richard, S. Kundermann, A. Baas, P. Jeambrun, J. M. J. Keeling, F. M. Marchetti, M. H. Szymanska, R. Andr´e, J. L. Staehli, V. Savona, P. B. Littlewood, B. Deveaud, and Le Si Dang, Nature 443, 409 (2006).
  24. S. Christopoulos, G. Baldassarri H¨oger von H¨ogersthal, A. J. D. Grundy, P. G. Lagoudakis, A. V. Kavokin, J. J. Baumberg, G. Christmann, R. Butt´e, E. Feltin, J.-F. Carlin, and N. Grandjean, Phys. Rev. Lett. 98, 126405 (2007).
  25. K. G. Lagoudakis, M. Wouters, M. Richard, A. Baas, I. Carusotto, R. Andre, Le Si Dang, and B. DeveaudPledran, Nat. Phys. 4, 706 (2008).
  26. A. Amo, D. Sanvitto, F. P. Laussy, D. Ballarini, E. del Valle, M. D. Martin, A. Lemaitre, J. Bloch, D. N. Krizhanovskii, M. S. Skolnick, C. Tejedor, and L. Vina, Nature 457, 291 (2009).
  27. V. V. Belykh, N. N. Sibeldin, V. D. Kulakovskii, M. M. Glazov, M. A. Semina, C. Schneider, S. H¨ofling, M. Kamp, and A. Forchel, Phys. Rev. Lett. 110, 137402 (2013).
  28. M. Stern, V. Umansky, and I. Bar-Joseph, Science 343, 55 (2014).
  29. Y. Shilo, K. Cohen, B. Laikhtman, K. West, L. Pfeiffer, and R. Rapaport, Nat. Commun. 4, 2335 (2013).
  30. S. Misra, M. Stern, A. Joshua, V. Umansky, and I. Bar-Joseph, Phys. Rev. Lett. 120, 047402 (2018).
  31. I. Carusotto and C. Ciuti, Rev. Mod. Phys. 85, 299 (2013).
  32. A. Kavokin, J. J. Baumberg, G. Malpuech, and F. P. Laussy, Microcavities, Oxford Univ. Press, UK (2011).
  33. Exciton Polaritons in Microcavities, ed. by V. Timofeev and D. Sanvitto, Springer, Berlin (2012).
  34. M. M. Glazov and R. A. Suris, Physics-Uspekhi 63, 1051 (2020).
  35. A. K. Geim and I. V. Grigorieva, Nature 499, 419 (2013).
  36. A. V. Kolobov and J. Tominaga. Two-Dimensional Transition-Metal Dichalcogenides. Springer Intern. Publ., Switzerland (2016).
  37. C. Schneider, M. M. Glazov, T. Korn, S. H¨ofling, and B. Urbaszek, Nat. Commun. 9, 2695 (2018).
  38. A. Splendiani, L. Sun, Y. Zhang, T. Li, J. Kim, C.-Y. Chim, G. Galli, and F. Wang, Nano Lett. 10, 1271 (2010).
  39. K. F. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 105, 136805 (2010).
  40. M. Selig, G. Bergh¨auser, A. Raja, P. Nagler, C. Sch¨uller, T. F. Heinz, T. Korn, A. Chernikov, E. Malic, and A. Knorr, Nat. Commun. 7, 13279 (2016).
  41. G. Wang, A. Chernikov, M. M. Glazov, T. F. Heinz, X. Marie, T. Amand, and B. Urbaszek, Rev. Mod. Phys. 90, 021001 (2018).
  42. M. V. Durnev and M. M. Glazov, Physics-Uspekhi 61, 825 (2018).
  43. M. M. Glazov and E. L. Ivchenko, JETP Lett. 113, 7 (2021).
  44. M. A. Semina and R. A. Suris, Physics-Uspekhi 65, 111 (2022).
  45. M. M. Fogler, L. V. Butov, and K. S. Novoselov, Nat. Commun. 5, 4555 (2014).
  46. O. L. Berman and R. Ya. Kezerashvili, Phys. Rev. B 93, 245410 (2016).
  47. S. Conti, M. Van der Donck, A. Perali, F. M. Peeters, and D. Neilson, Phys. Rev. B 101, 220504 (2020).
  48. A. Chernikov and M. M. Glazov, in 2D Excitonic Materials and Devices, Ch. Exciton Diffusion in 2D van der Waals Semiconductors, ed. by P. B. Deotare and Z. Mi, Elsevier, Amsterdam (2023).
  49. E. Malic, R. Perea-Causin, R. Rosati, D. Erkensten, and S. Brem, Nat. Commun. 14, 3430 (2023).
  50. L. H. Fowler-Gerace, D. J. Choksy, and L. V. Butov, Phys. Rev. B 104, 165302 (2021).
  51. L. H. Fowler-Gerace, Zhiwen Zhou, E. A. Szwed, and L. V. Butov, preprint arXiv:2204.09760 (2022).
  52. L. H. Fowler-Gerace, Zhiwen Zhou, E. A. Szwed, D. J. Choksy, and L. V. Butov, preprint arXiv:2307.00702 (2023).
  53. D. Beret, L. Ren, C. Robert, L. Foussat, P. Renucci, D. Lagarde, A. Balocchi, T. Amand, B. Urbaszek, K. Watanabe, T. Taniguchi, X. Marie, and L. Lombez, Phys. Rev. B 107, 045420 (2023).
  54. A. G. del Aguila, Y. R. Wong, I. Wadgaonkar, ´ A. Fieramosca, X. Liu, K. Vaklinova, S. Dal Forno, T. T. Ha Do, H. Y. Wei, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. S. Novoselov, M. Koperski, M. Battiato, and Q. Xiong, Nat. Nano. 18, 1012 (2023).
  55. M. M. Glazov, Nat. Nano. 18, 972 (2023).
  56. T. Tamir, ed., Guided-Wave Optoelectronics, Springer, Berlin (1988).
  57. K. J. Ebeling, Integrated Optoelectronics, Springer, Berlin (1993).
  58. C. H. Henry, G. E. Blonder, and R. F. Kazarinov, J. Lightwave Technol. 7, 1530 (1989).
  59. F. Fedichkin, T. Guillet, P. Valvin, B. Jouault, C. Brimont, T. Bretagnon, L. Lahourcade, N. Grandjean, P. Lefebvre, and M. Vladimirova, Phys. Rev. Appl. 6, 014011 (2016).
  60. Q. Guo, B. Wu, R. Du, J. Ji, K. Wu, Y. Li, Z. Shi, S. Zhang, and H. Xu, ACS Photonics 9, 2817 (2022).
  61. A. N. Osipov, I. V. Iorsh, A. V. Yulin, and I. A. Shelykh, Phys. Rev. B 108, 104202 (2023).
  62. P.Back, S. Zeytinoglu, A. Ijaz, M.Kroner, and A. Imamo˘glu, Phys. Rev. Lett. 120, 037401 (2018).
  63. J. Horng, Y.-H. Chou, T.-C. Chang, C.-Y. Hsu, T.-C. Lu, and H. Deng, Optica 6, 1443 (2019).
  64. H. H. Fang, B. Han, C. Robert, M. A. Semina, D. Lagarde, E. Courtade, T. Taniguchi, K. Watanabe, T. Amand, B. Urbaszek, M. M. Glazov, and X. Marie, Phys. Rev. Lett. 123, 067401 (2019).
  65. L. Ren, C. Robert, M. Glazov, M. Semina, T. Amand, L. Lombez, D. Lagarde, T. Taniguchi, K. Watanabe, and X. Marie, Phys. Rev. Lett. 131, 116901 (2023).
  66. I. A. Eliseyev, B. R. Borodin, D. R. Kazanov, A. V. Poshakinskiy, M. Remˇskar, S. I. Pavlov, L. V.Kotova, P. A. Alekseev, A. V. Platonov, V. Yu.Davydov, and T. V. Shubina, Adv. Opt. Mater. 11, 2202782 (2023).
  67. F. Cadiz, E. Courtade, C. Robert, G. Wang, Y. Shen, H. Cai, T. Taniguchi, K. Watanabe, H. Carrere, D. Lagarde, M. Manca, T. Amand, P. Renucci, S. Tongay, X. Marie, and B. Urbaszek, Phys. Rev. X 7, 021026 (2017).
  68. D. Christiansen, M. Selig, G. Bergh¨auser, R. Schmidt, I. Niehues, R. Schneider, A. Arora, S. M. de Vasconcellos, R. Bratschitsch, E. Malic, and A. Knorr, Phys. Rev. Lett. 119, 187402 (2017).
  69. S. Shree, M. Semina, C. Robert, B. Han, T. Amand, A. Balocchi, M. Manca, E. Courtade, X. Marie, T. Taniguchi, K. Watanabe, M. M. Glazov, and B. Urbaszek, Phys. Rev. B 98, 035302 (2018).
  70. M. M. Glazov, Phys. Rev. Lett. 124, 166802 (2020).
  71. M. M. Glazov, Z. A. Iakovlev, and S. RefaelyAbramson, Appl. Phys. Lett. 121, 192106 (2022).
  72. K. Wagner, J. Zipfel, R. Rosati, E. Wietek, J. D. Ziegler, S. Brem, R. Perea-Caus´ın, T. Taniguchi, K. Watanabe, M. M. Glazov, E. Malic, and A. Chernikov, Phys. Rev. Lett. 127, 076801 (2021).
  73. K. Wagner, Z. A. Iakovlev, J. D. Ziegler, M. Cuccu, T. Taniguchi, K. Watanabe, M. M. Glazov, and A. Chernikov, Nano Lett. 23, 4708 (2023).
  74. E. Wietek, M. Florian, J. G¨oser, T. Taniguchi, K. Watanabe, A. H¨ogele, M. M. Glazov, A. Steinhoff, and A. Chernikov, Phys. Rev. Lett. 132, 016202 (2024).
  75. M. Danovich, V. Z´olyomi, V. I Fal’ko, and I. L. Aleiner, 2D Mater. 3, 035011 (2016).
  76. G. Moody, J. Schaibley, and X. Xu, J. Opt. Soc. Am. B 33, C39 (2016).
  77. M. Manca, M. M. Glazov, C. Robert, F. Cadiz, T. Taniguchi, K. Watanabe, E. Courtade, T. Amand, P. Renucci, X. Marie, G. Wang, and B. Urbaszek, Nat. Commun. 8, 14927 (2017).
  78. B. Han, C. Robert, E. Courtade, M. Manca, S. Shree, T. Amand, P. Renucci, T. Taniguchi, K. Watanabe, X. Marie, L. E. Golub, M. M. Glazov, and B. Urbaszek, Phys. Rev. X 8, 031073 (2018).
  79. K.-Q. Lin, C. S. Ong, S. Bange, P. E. Faria Jr., B. Peng, J. D. Ziegler, J. Zipfel, C. B¨auml, N. Paradiso, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Strunk, B. Monserrat, J. Fabian, A. Chernikov, D. Y. Qiu, S. G. Louie, and J. M. Lupton, Nat. Commun. 12, 5500 (2021).
  80. M. Kulig, J. Zipfel, P. Nagler, S. Blanter, C. Sch¨uller, T. Korn, N. Paradiso, M. M. Glazov, and A. Chernikov, Phys. Rev. Lett. 120, 207401 (2018).
  81. D. F. Cordovilla Leon, Z. Li, S. W. Jang, and P. B. Deotare, Phys. Rev. B 100, 241401 (2019).
  82. F. Tagarelli, E. Lopriore, D. Erkensten, R. PereaCaus´ın, S. Brem, J. Hagel, Z. Sun, G. Pasquale, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Malic, and A. Kis, Nat. Phot. 17, 615 (2023).
  83. J. Zipfel, M. Kulig, R. Perea-Caus´ın, S. Brem, J. D. Ziegler, R. Rosati, T. Taniguchi, K. Watanabe, M. M. Glazov, E. Malic, and A. Chernikov, Phys. Rev. B 101, 115430 (2020).
  84. R. Perea-Caus´ın, S. Brem, R. Rosati, R. Jago, M. Kulig, J. D. Ziegler, J. Zipfel, A. Chernikov, and E. Malic, Nano Lett. 19, 7317 (2019).
  85. M. M. Glazov, Phys. Rev. B 100, 045426 (2019).
  86. A. Filinov, N. V. Prokof’ev, and M. Bonitz, Phys. Rev. Lett. 105, 070401 (2010).
  87. E. A. Kuznetsov and M. Yu. Kagan, Theor. Math. Phys. 202, 399 (2020).
  88. Lucio Claudio Andreani and Franco Bassani, Phys. Rev. B 41, 7536 (1990).
  89. S. V. Goupalov, E. L. Ivchenko, and A. V. Kavokin, JETP 86, 388 (1998)].
  90. E. L. Ivchenko, Optical Spectroscopy of Semiconductor Nanostructures, Alpha Science, Harrow UK (2005).
  91. M. M. Glazov, T. Amand, X. Marie, D. Lagarde, L. Bouet, and B. Urbaszek, Phys. Rev. B 89, 201302 (2014).
  92. H. Yu, G.-B. Liu, P. Gong, X. Xu, and W. Yao, Nat. Commun. 5, 3876 (2014).
  93. M. M. Glazov, E. L. Ivchenko, G. Wang, T. Amand, X. Marie, B. Urbaszek, and B. L. Liu, Phys. Stat. Sol. (b) 252, 2349 (2015).
  94. V. M. Agranovich and M. D. Galanin, Electronic Excitation Energy Transfer in Condensed Matter, North-Holland Publishing Company, Amsterdam (1982).
  95. A. I. Prazdnichnykh, M. M. Glazov, L. Ren, C. Robert, B. Urbaszek, and X. Marie, Phys. Rev. B 103, 085302 (2021).
  96. C. Robert, M. A. Semina, F. Cadiz, M. Manca, E. Courtade, T. Taniguchi, K. Watanabe, H. Cai, S. Tongay, B. Lassagne, P. Renucci, T. Amand, X. Marie, M. M. Glazov, and B. Urbaszek, Phys. Rev. Mater. 2, 011001 (2018).
  97. K. L. Koshelev, S. K. Sychev, Z. F. Sadrieva, A. A. Bogdanov, and I. V. Iorsh, Phys. Rev. B 98, 161113 (2018).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

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».