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科学探索

发现新的半导体激励技术

科学探索万象经验2024-05-18

在固态物理学领域,通过强光场探索基本激发现象是推进材料性质发展的基石。二维(2D)材料的出现开启了半导体应用的新时代,涵盖了从光电到声子器件的广泛应用。在这些材料中,二硒化钨(WSe2)作为一种层状二维半导体,展现出巨大的潜力。

本文探讨了这一领域的最新突破:二维半导体WSe2中相干光学声子的太赫兹和频激发。这一发现发表在《应用物理快报》上,为开发新方法来控制WSe2中的声子铺平了道路。

理解基本原理

声子是晶格内原子振荡的量子化模式,而光学声子对应于可以直接由光激发的这些振荡。当光与材料相互作用时,能量可以传递给晶格,产生相干声子——都是同相的集体原子振荡。这些声子在材料的热和电性质中起着关键作用,影响热容、热导率和电子-声子相互作用。在像WSe2这样的半导体中,对这些声子的操控可以导致在量子水平上控制材料属性。

传统上,这些声子是使用红外或可见光范围内的激光脉冲激发的。太赫兹辐射位于电磁波谱的微波和红外区域之间,它具有独特的特性,使它在操纵材料时变得有趣。然而,直接用太赫兹辐射激发相干光学声子具有挑战性,因为太赫兹光子和声子本身之间存在很大的能量失配。

和频激发机制

研究人员采用了一种新方法:太赫兹和频激发。在这里,强烈的太赫兹脉冲与材料相互作用,通过非线性过程,它们的能量结合起来,在材料内部创建虚拟电子激发。然后,这些虚拟状态通过将其能量转移给真实的光学声子而衰减,从而有效地产生相干光学绳子。

研究人员通过用强而宽的太赫兹脉冲照射WSe2薄膜来实现这一点。然后,他们使用称为太赫兹克尔效应光谱的技术来探测由此产生的声子动力学。该技术测量由材料内部的声子振荡引起的入射光束偏振的变化。

实验验证和见解

实验揭示了WSe2晶格中存在相干振荡,特别是在E2g光学声子模式内。这些声子的振幅显示出对太赫兹场强度的二次方依赖,表明了一个太赫兹和频激发过程。在这里,两个频率较低的太赫兹光子与材料相互作用,并集体转移它们的能量,激发出一个能量更高的光学声子模式。与传统的单光子吸收机制相比,这一发现揭示了一种独特的激发途径。

此外,研究小组通过分析泵浦-探针极化和晶体取向依赖性进一步探索了这一现象。这与对称分析一起,为非线性声子-声子相互作用提供了有价值的见解。这些相互作用描述了不同频率的声子如何在材料内交换能量和动量。了解这些相互作用对于实现操纵声子极化极其重要。

在WSe2中演示太赫兹和频激发相干光学声子代表了我们对二维材料中声子动力学理解和控制的重大进展。该技术与使用红外或可见光的传统方法相比具有几个优势。首先,与更高频率的光相比,太赫兹辐射可以更深地穿透材料,这对于操纵像WSe2这样的层状结构中的声子特别有益。其次,控制太赫兹场强的能力允许定制特定声子模式的激发,这可能导致材料特性的选择性操纵。