[论文解读] 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 1

一句话总结

本文基于尊重磁平移对称性的基变换，发展了一套关于强磁场下二维半导体中三子吸收的多体理论。结果表明，吸引性激子极化子分支受磁场影响较弱，而排斥性分支则因激子-回旋共振的共同作用，表现出磁振荡并分裂为离散峰。

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.

研究动机与目标

• 理解强磁场如何影响中等掺杂二维半导体中的三子吸收。
• 探讨简并费米海载流子对磁量子化下激子态的影响。
• 通过保持对称性的变换，将激子极化子图像扩展至包含磁场效应。
• 研究在磁场下耦合激子-费米海系统中集体激发的出现。

提出的方法

• 采用一种尊重磁平移对称性的新基变换的幺正变换。
• 在磁布洛赫态下表述哈密顿量，以考虑朗道能级的量子化。
• 在变换后的基中，利用多体微扰理论分析集体激发谱。
• 通过在磁基中求解贝特-萨尔皮特方程，识别吸引性和排斥性激子极化子分支。
• 计算光学吸收谱，以探测类三子态及其磁场依赖性。
• 通过激子与回旋激发之间的耦合，推导出联合激子-回旋共振的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 强磁场如何改变掺杂二维半导体中激子极化子能谱？
• RQ2 磁平移对称性在描述费米海存在下的多体效应中起什么作用？
• RQ3 吸引性和排斥性激子极化子分支如何响应由磁场引起的朗道能级量子化？
• RQ4 排斥分支吸收谱中离散峰的产生原因是什么？
• RQ5 联合激子-回旋共振在光学响应中以何种方式表现？

主要发现

• 由于其固有的多体屏蔽效应，吸引性激子极化子分支在磁场下基本不受影响。
• 排斥性激子极化子分支因激子与回旋能级尺度的相互作用，表现出明显的磁振荡。
• 吸收谱中的离散峰源于激子与费米海电子回旋运动之间的共振耦合。
• 排斥分支分裂为独立峰是联合激子-回旋共振的特征。
• 排斥分支的磁场依赖性由朗道能级间距和激子结合能决定。
• 该理论框架成功捕捉了磁场下多体谱的对称性保护结构。