Non-stationary longitudinal Josephson effect in electron-hole bilayers
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0044481Ключові слова:
Josephson effect, electron-hole currents, order parameter phase, indirect excitonsАнотація
Досліджено нестаціонарний поздовжній ефект Джозефсона в двошарових системах зі спарюванням просторово розділених електронів і дірок. Досліджено тунельний струм між двома (правим і лівим) слабко зв’язаними електрон-дірковими кон денсатами за наявності зовнішньої напруги, прикладеної між лівою та правою сторонами системи. Розглянуто два граничні режими: режим високої густини, в якому спарювання відбу вається в імпульсному просторі подібно до звичайних над провідників, і режим низької густини, що відповідає бозе ейнштейнівському конденсату просторово непрямих екситонів. У межах підходу тунельного гамільтоніана отримано вирази для квазічастинкового, надпровідного та інтерференційного внесків у тунельний струм. Показано, що в межах високої густини квазічастинковий та інтерференційний струми зни кають за нульової температури та напруг, менших за порогове значення, яке визначається енергетичною щілиною, так що в системі протікає лише надструм. Натомість у режимі низької густини безщілинний спектр колективних збуджень зумовлює скінченні дисипативні внески (квазічастинковий та інтерфе ренційний струми) навіть за нульової температури, що приз водить до затухання джозефсонівських осциляцій. Для тунельних бар’єрів, просторово розділених на відстань, що значно перевищує довжину когерентності, фаза параметра порядку зазнає стрибків на кожному з бар’єрів, що спричиняє осци ляції напруги на електронному та дірковому бар’єрах та несинусоїдальну залежність струму від фази.
Посилання
Yu. E. Lozovik and V. I. Yudson, “Feasibility of superfluidity of paired spatially separated electrons and holes; a new superconductivity mechanism,” Pis’ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 22, 556 (1975) [JETP Lett. 22, 274 (1975)]. See http://jetpletters.ru/ps/1530/article_23399.shtml.
S. I. Shevchenko, “Theory of superconductivity of systems with pairing of spatially separated electrons and holes,” Sov. J. Low Temp. Phys. 2, 251 (1976) [Fiz. Nizk. Temp. 2, 505 (1976)]. https://doi.org/10.1063/10.0029290
Yu. E. Lozovik and V. I. Yudson, “A new mechanism for superconductivity: Pairing between spatially separated electrons and holes,” Zh. Eksp. Teor. Fiz. 71, 738 (1976) [Sov. Phys. JETP 44, 389 (1976)]. See http://jetp.ras.ru/cgi-bin/e/index/e/44/2/p389?a=list.
S. I. Shevchenko, “Phase diagram of systems with pairing of spatially separated electrons and holes,” Phys. Rev. Lett. 72, 3242 (1994). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.72.3242
P. Pieri, D. Neilson, and G. C. Strinati, “Effects of density imbalance on the BCS-BEC crossover in semiconductor electron-hole bilayers,” Phys. Rev. B 75, 113301 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.113301
J. A. Seamons, C. P. Morath, J. L. Reno, and M. P. Lilly, “Coulomb drag in the exciton regime in electron-hole bilayers,” Phys. Rev. Lett. 102, 026804 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.026804
J. Ye, “Quantum phases of excitons and their detections in electron-hole semiconductor bilayer systems,” J. Low Temp. Phys. 158, 882 (2010). https://doi.org/10.1007/s10909-009-0056-z
A. L. Subası, P. Pieri, G. Senatore, and B. Tanatar, “Stability of sarma phases in density imbalanced electron-hole bilayer systems,” Phys. Rev. B 81, 075436 (2010). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.075436
J. P. Eisenstein, “Exciton condensation in bilayer quantum Hall systems,” Ann. Rev. Condens. Matter Phys. 5, 159 (2014). https://doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-031113-133832
Q.-D. Jiang, Z.-q. Bao, Q.-F. Sun, and X. C. Xie, “Theory for electric dipole superconductivity with an application for bilayer excitons,” Sci. Rep. 5, 11925 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11925
F. Wu, F. Xue, and A. H. MacDonald, “Theory of two-dimensional spatially indirect equilibrium exciton condensates,” Phys. Rev. B 92, 165121 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.165121
D. V. Fil and S. I. Shevchenko, “Superfluidity of a dilute gas of electron-hole pairs in a bilayer system,” Low Temp. Phys. 42, 794 (2016) [Fiz. Nizk. Temp. 42, 1013 (2016)]. https://doi.org/10.1063/1.4963329
D. V. Fil and S. I. Shevchenko, “Electron-hole superconductivity,” Low Temp. Phys. 44, 867 (2018) [Fiz. Nizk. Temp. 44, 1111 (2018)]. https://doi.org/10.1063/1.5052674
A. I. Bezuglyi, “Tunneling in two-layer systems with electron-hole coupling,” Low Temp. Phys. 46, 448 (2020) [Fiz. Nizk. Temp. 46, 536 (2020)]. https://doi.org/10.1063/10.0001047
D. K. Efimkin, G. W. Burg, E. Tutuc, and A. H. MacDonald, “Tunneling and fluctuating electron-hole cooper pairs in double bilayer graphene,” Phys. Rev. B 101, 035413 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.035413
F. Pascucci, S. Conti, A. Perali et al, “Effects of intralayer correlations on electron-hole double-layer superfluidity,” Phys. Rev. B 109, 094512 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.094512
G. J. Sreejith, J. D. Sau, and S. D. Sarma, “Eliashberg theory for dynamical screening in bilayer exciton condensation,” Phys. Rev. Lett. 133, 056501 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.056501
Y. Zeng, V. Crépel, and A. J. Millis, “Keldysh field theory of dynamical exciton condensation transitions in nonequilibrium electron-hole bilayers,” Phys. Rev. Lett. 133, 266001 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.266001
Bo Zou and A. H. MacDonald, “Vortex lattice states of bilayer electron-hole fluids in quantizing magnetic fields,” Phys. Rev. Lett. 135, 086002 (2025). https://doi.org/10.1103/83f9-pln9
H. Yang, X. Dai, and X.-Z. Li, “Exciton insulators in two-dimensional systems,” Chinese Physics B 34, 097301 (2025). https://doi.org/10.1088/1674-1056/ade3ae
S. I. Shevchenko and O. M. Konstantynov, “Longitudinal josephson effect in systems with pairing of spatially separated electrons and holes,” Low Temp. Phys. 51, 1245 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 1379 (2025)]. https://doi.org/10.1063/10.0039420
F. Pascuccil, S. Conti, D. Neilson et al, “density collective modes of exciton superfluidity in bilayer systems,” Condens. Matter 10, 7 (2025). https://doi.org/10.3390/condmat10010007
J. Zhu and S. Das Sarma, Two-dimensional bilayer electron-hole superfluidity with unequal and anisotropic masses, Phys. Rev. B 112, 214521 (2025). https://doi.org/10.1103/bf1f-byy3
Y. Shao, H. Shi, and X. Dai, Electromagnetic responses of bilayer excitonic insulators: from exciton London equations to dipole and inverse dipole Hall effects, arXiv:2509.02142 (2026).
L. M. Nashabeh and L. Fu, Prediction of superconductivity in mass-asymmetric electron-hole bilayers, arXiv:2601.07729 (2026).
J.-X. Hui and Q.-D. Jiang, Nonreciprocal perfect Coulomb drag in electron-hole bilayers: coherent exciton superflow as a diode, arXiv:2602.02643 (2026).
Z. Wang, D. A. Rhodes, K. Watanabe et al, “Evidence of high-temperature exciton condensation in two-dimensional atomic double layers,” Nature 574, 76 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1591-7
L. Ma, P. X. Nguyen, Z. Wang et al, “Strongly correlated excitonic insulator in atomic double layers,” Nature 598, 585 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03947-9
M. L. Davis, S. Parolo, C. Reichl et al, “Josephson-like tunnel resonance and large Coulomb drag in GaAs-based electron-hole bilayers,” Phys. Rev. Lett. 131, 156301 (2023). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.156301
L. Zhang, L. Gu, R. Ni et al, “Electrical control and transport of tightly bound interlayer excitons in a MoSe2/hBN/MoSe2 heterostructure,” Phys. Rev. Lett. 132, 216903 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.216903
P. X. Nguyen, L. Ma, R. Chaturvedi et al, “Perfect Coulomb drag in a dipolar excitonic insulator,” Science 388, 274 (2025). https://doi.org/10.1126/science.adl1829
A. Tüğen, A. M. Seiler, A. Christianen et al, “Optical injection and detection of long-lived interlayer excitons in van der waals heterostructures,” Phys. Rev. Lett. 135, 246502 (2025). https://doi.org/10.1103/stgs-2s58
Y. Zeng, D. Sun, N. J. Zhang et al, “Observation of a superfluid-to-insulator transition of bilayer excitons,” Nature 650, 86 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09986-w
J. Zittartz, “Anisotropy effects in the excitonic insulator,” Phys. Rev. 162, 752 (1967). https://doi.org/10.1103/PhysRev.162.752
N. F. Mott, “The transition to the metallic state,” Philos. Mag. 6, 287 (1961). https://doi.org/10.1080/14786436108243318
S. Conti, D. Neilson, F. M. Peeters et al, “Transition metal dichalcogenides as strategy for high temperature electron-hole superfluidity,” Condens. Matter 5, 22 (2020). https://doi.org/10.3390/condmat5010022
A. Barone and G. Paterno, Physics and Applications of the Josephson Effect (John Wiley & Sons, New York, 1982).
V. Ambegaokar and A. Baratoff, “Tunneling between superconductors,” Phys. Rev. Lett. 10, 486 (1963). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.10.486
D. Stirpe, J. Manninen and F. Massel, “Semiclassical dynamics of a superconducting circuit: Chaotic dynamics and fractal attractors,” Phys. Scr. 99, 075979 (2024). https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad4b6d
W. A. Schlup, “Solution of the werthamer equation at finite temperatures,” Phys. Rev. B 18, 6132 (1978). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.18.6132
L. V. Keldysh, “Coherent states of excitons,” Phys.-Uspekhi 60, 1180 (2017). https://doi.org/10.3367/UFNe.2017.10.038227
F. Meier and W. Zwerger, “Josephson tunneling between weakly interacting bose–einstein condensates,” Phys. Rev. A 64, 033610 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.64.033610
S. I. Shevchenko and A. S. Rukin, “On electrical phenomena in electroneutral superfluid systems,” Low Temp. Phys. 36, 146 (2010) [Fiz. Nizk. Temp. 36, 186 (2010)]. https://doi.org/10.1063/1.3313221
