半导体所等在莫尔异质结层间激子研究方面取得进展
半导体所举行2023年开学典礼暨研究生入所教育大会
半导体所在高功率、低噪声量子点DFB单模激光器研究方面取得重要进展
半导体所召开主题教育专题民主生活会
半导体所等在手性分子产生自旋极化研究中取得新进展
半导体所召开党委理论学习中心组学习(扩大)会
半导体所组织学习贯彻中国科学院2023年夏季党组扩大会议精神
【中国科学院院刊】抢占“镓体系”半导体科技制高点 助力实现光电子信息产业的...
半导体所观测到各向异性平面能斯特效应
中国科学院副院长阴和俊调研半导体研究所
官方微信
友情链接

半导体所在激子-声子的量子干涉研究方面取得进展

2023-01-18

近日,半导体所半导体超晶格国家重点实验室在二维半导体WS2中研究了布里渊边界声学声子与暗激子之间量子干涉导致的法诺(Fano)共振行为(示意见图1ab),并揭示了对称性在其中扮演的重要作用。2023106日,相关研究成果以“少数层WS2中暗激子与边界声学声子的量子干涉”(Quantum interference between dark-excitons and zone-edged acoustic phonons in few-layer WS2)在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。

由于库伦屏蔽减弱,低维半导体材料的光学性质主要由激子决定。除了为大家熟悉的可通过光学上直接跃迁来观测的亮激子外,暗激子却难以直接观测。暗激子的复合往往需要其他元激发如声子等的协助。因此共振拉曼散射是比较理想的研究暗激子等的实验手段。近年来,二维半导体过渡金属二硫化物,如MoS2WS2等具有强的光-物质相互作用,能带上具有丰富的能谷结构,如同时具有Γ、KQ等能谷,在布里渊区不同位置且能量接近,是研究暗激子及与声子相互作用的绝佳平台。

    研究团队首先通过不同数值孔径下的光致发光(PL)谱确认了少数层WS2亮态A激子与自旋禁戒暗态A激子的存在(见图1c,d)。对于多层WS2,其导带底从K谷变为Q谷,而Q-K之间跃迁的动量正好可由布里渊边界M点声子的波矢来补偿(见图1b, e)。因此边界M点的一阶声子就有可能通过拉曼光谱直接进行测量,在这个过程中预期能观察由导带Q谷的电子和价带K谷空穴形成的暗激子。

研究团队选择了与暗态A激子共振的激发激光,进行了低温拉曼光谱的测量。如先期预期,在该共振激发下不仅边界M点一阶声学声子的拉曼光谱可以被实验观测到(TA(M), ZA(M)LA(M)),并且还发现了这些拉曼模式表现为不对称的Fano线型,且与平面内剪切声子的Fano线型呈现出镜像分布的现象(见图2a,c)。特别是在双层WS2中,暗激子-声子的强耦合导致其ZA(M)声学模式表现为一个Fano 凹陷 (对应相消干涉行为)而非Fano (对应相涨干涉行为)。Fano共振来源于连续态和分立态之间的量子干涉。通过理论分析,研究团队确定了连续态来源于K谷空穴和Q谷电子所形成的暗激子态,而分立态来源于M点声子。自于暗激子长寿命特征以及二维激子低的态密度,在光激发下暗激子形成准连续态。进一步地,研究团队通过改变激发光波长(改变激子的驰豫通道以及参与声子的模式从而破坏共振条件)和变温拉曼光谱(改变激子能量从而破坏共振条件)对上述结果与理论解释进行了验证。最后,研究团队从对称性角度分析了平面内剪切模声子,边界声学声子和暗激子耦合的物理机制,揭示了声子振动方向以及激子对称性对它们之间耦合的重要角色。

谭青海博士(现为新加坡南洋理工大学博后)和厦门大学李运美副教授为本论文共同第一作者。谭平恒研究员张俊研究员为论文共同通讯作者。主要合作者还包括新加坡南洋理工大学高炜博教授,法国Toulouse大学Xavier Marie教授等。

1.Fano共振示意图,暗激子跃迁示意图,亮激子暗激子的实验观测以及布里渊区QKΓM波矢匹配示意图。

2.边界声学声子Fano共振的实验观测与振动示意图。



关于我们
下载视频观看
联系方式
通信地址

北京市海淀区清华东路甲35号(林大北路中段) 北京912信箱 (100083)

电话

010-82304210/010-82305052(传真)

E-mail

semi@semi.ac.cn

交通地图
版权所有 中国科学院半导体研究所

备案号:京ICP备05085259-1号 京公网安备110402500052 中国科学院半导体所声明