[論文レビュー] Many-body theory of trion absorption in a strong magnetic field

Dmitry K. Efimkin, A. H. MacDonald|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、磁気翻訳対称性を尊重する基底変換を用いて、強い磁場下における二次元半導体における三粒子状態吸収の多体理論を展開する。この理論により、引力的励起子ポラロン分岐は弱く影響を受けるが、反発的分岐は磁気振動を示し、励起子・クーロン共鳴の併存によって離散的なピークに分裂することが明らかになった。

ABSTRACT

In previous work we have argued that the optical properties of moderately doped two-dimensional semiconductors can be described in terms of excitons dressed by their interactions with a degenerate Fermi sea of additional charge carriers. These interactions split the bare exciton into attractive and repulsive exciton-polaron branches. The collective excitations of the coupled system are many-body generalizations of the bound trion and unbound states of a single electron interacting with an exciton. In this article we consider exciton-polarons in the presence of an external magnetic field that quantizes the kinetic energy of the electrons in the Fermi sea. Our theoretical approach is based on a transformation to new basis that respects the underlying symmetry of magnetic translations. We find that the attractive exciton-polaron branch is only weakly influenced by the magnetic field, whereas the repulsive branch exhibits magnetic oscillations and splits into discrete peaks that reflect combined exciton-cyclotron resonance.

研究の動機と目的

• 強い磁場が中程度にドーピングされた二次元半導体における三粒子状態吸収に及ぼす影響を理解すること。
• 磁気量子化下におけるフェルミ海のデゲネレートした電子状態が励起子状態に与える影響を解明すること。
• 対称性を保つ変換を用いて、励起子ポラロン像に磁場効果を拡張すること。
• 磁場下における励起子-フェルミ海系の結合系における集団励起状態の出現を調査すること。

提案手法

• 磁気翻訳対称性を尊重する新しい基底にユニタリ変換を施す。
• 磁気Bloch状態を用いてハミルトニアンを定式化し、ランダウ準位の量子化を反映させる。
• 変換された基底において、多体摂動論を用いて集団励起状態のスペクトルを解析する。
• 磁気基底におけるBethe-Salpeter方程式の解法を通じて、引力的および反発的励起子ポラロン分岐を特定する。
• 光学吸収スペクトルを計算し、三粒子状態に類似した状態とその磁場依存性を調べる。
• 励起子励起とサイクロトロン励起の結合を通じて、結合励起子・サイクロトロン共鳴の条件を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場は、ドーピングされた2次元半導体における励起子ポラロンのエネルギー準位にどのように影響を与えるか。
• RQ2 フェルミ海を伴う系における多体効果を記述するにあたり、磁気翻訳対称性が果たす役割は何か。
• RQ3 引力的および反発的励起子ポラロン分岐は、磁場によって引き起こされるランダウ準位の量子化に対してどのように応答するか。
• RQ4 反発的分岐の吸収スペクトルに離散的ピークが出現する原因は何か。
• RQ5 結合励起子・サイクロトロン共鳴は、光学応答においてどのように現れるか。

主な発見

• 引力的励起子ポラロン分岐は、その固有の多体スクリーニングのため、磁場の影響をほとんど受けない。
• 反発的励起子ポラロン分岐は、励起子とサイクロトロンエネルギー尺度の相互作用によって明確な磁気振動を示す。
• 吸収スペクトルの離散的ピークは、励起子とフェルミ海電子のサイクロトロン運動との共鳴的結合に起因する。
• 反発的分岐の明確なピーク分裂は、結合励起子・サイクロトロン共鳴の特徴である。
• 反発的分岐の磁場依存性は、ランダウ準位間隔と励起子束縛エネルギーに支配される。
• 理論的枠組みは、磁場下における多体スペクトルの対称性保護構造を的確に捉えている。