Осесимметричные циклотронные 2D магнитоплазмоны / Волков В.А., Заболотных А.А.

Плазмоны в двумерных (2D) системах интересны как с фундаментальной, так и с прикладнойточек зрения. Известны два основных типа таких возбуждений, как экранированные электронамизатвора плазмоны (“gated plasmons”), так и неэкранированные (“ungated plasmons”). В идеале онидолжны существовать в двух бесконечных электронных системах, соответственно, содержащихуправляющий металлический электрод (затвор) и не содержащих оного. В магнитном поле B частотаплазмонов обоих типов существенно изменяется. Образуются 2D магнитоплазмоны, спектр которыхопределяется суммой квадратов частоты невозмущенных (полем B) плазмонов и циклотроннойчастоты. За последние полвека эти коллективные возбуждения детально исследованы в широкомдиапазоне частот в самых разных 2D системах, как теоретически, так и экспериментально, и труднобыло рассчитывать на качественно новый шаг в этой области.Неожиданно в недавней работе [1] удалось, наряду с 2D магнитоплазмонами указанного вышетипа, обнаружить новый резонанс в микроволновом поглощении, частота которого равнациклотронной. Он возбуждался с помощью новой экспериментальной методики, в которойиспользовался малый металлический диск, расположенный в центре образца больших размеров, ноне проявлялся при стандартном возбуждении в дальнем поле. Показано, что резонанс связан сэлектронами, расположенными вблизи края возбуждающего диска, и похож на одночастичныйрезонанс типа Азбеля-Канера. В докладе дано альтернативное объяснение нового резонанса,основанное на предположении о коллективной природе этой моды.Недавно построена [2] аналитическая теория, описывающая частично экранированныеплазмоны, причем затвор имел форму бесконечно длинной полосы, параллельной плоскости,заселенной 2D электронами. Уже само наличие затвора приводит к появлению серии бегущих вдольполосы плазменных мод, причем фундаментальная мода очень не похожа на остальные. Онаявляется гибридом экранированных и неэкранированных плазмонов и в силу своего бесщелевогоспектра не проявлялась ранее в численных расчетах отклика подобных систем на внешнее излучение.Магнитное поле, перпендикулярное 2D плоскости, стандартным образом изменяет спектр найденныхплазмонов.В докладе представлено обобщение подхода [2] на случай затвора, конечного в двухнаправлениях. Построена аналитическая теория магнитоплазмонов в 2D системе с металлическимзатвором в форме диска, размер которого мал по сравнению с областью, занятой 2D электронами.Задача сведена к решению точно решаемого уравнения для амплитуды плотности плазмонногозаряда. Решения, как обычно, описываются двумя дискретными квантовыми числами, равнымиколичеству узлов плотности заряда, осциллирующего в радиальном и азимутальном направлениях.Показано, что заряд всех мод локализован, в основном, под затвором. Особое внимание уделеноосесимметричным (чисто радиальным) модам. В силу симметрии они не возбуждаются плоскойэлектромагнитной волной и в этом смысле являются «тёмными». Помимо мод, имеющих аналоги длязатвора в форме полосы, возникает новая («циклотронная») мода, плотность заряда которой не имеетузлов ни по азимуту, ни по радиусу. Именно она является фундаментальной модой. Хотя её частота впростой модели равна циклотронной частоте, она имеет коллективный характер. Эти свойствасогласуются с опытом [1].