声子辅助上转换发光是指半导体通过晶格振动参与的能量转换过程，将低能量光子转化为高能量发射光子，在反斯托克斯发光和激光固体制冷等领域具有重要应用价值。传统理论通常将晶格振动视为处于热平衡状态的热库，认为声子布居仅由温度决定，与光激发功率无关。因此，在未发生饱和吸收的情况下，声子辅助上转换发光强度通常与激发功率呈线性关系。然而，在约4K的液氦温区，光学声子的热占据数几乎为零，传统热声子辅助上转换过程受到严重限制。另一方面，非线性上转换发光通常被归因于多光子吸收，而多光子过程容易引入额外热量，不利于实现净光学制冷。

近日，中国科学院半导体研究所张俊研究员团队，以具有强Fröhlich电子–声子耦合的II-VI族半导体ZnTe纳米带为研究对象，利用低温拉曼光谱和上转换光致发光测量，发现连续光激发能够在4 K下驱动纵光学（LO）声子形成非平衡布居，并产生显著的非线性声子辅助上转换发光，为突破传统半导体光学制冷的低温限制提供了新的物理途径。

研究团队提出了基于声子振动泵浦的非线性上转换发光机制。在连续光激发下，斯托克斯拉曼散射能够不断产生LO声子，使声子布居随激发功率增加。非平衡LO声子通过Fröhlich相互作用增强半导体内部的极化电场，使电子能带发生倾斜，进而显著提高载流子的场辅助隧穿概率。由于隧穿概率对电场强度具有指数依赖关系，声子振动泵浦能够有效增强带隙以下的单光子吸收，最终产生非线性上转换发光（图1）。这一机制不需要引入多光子吸收，突破了声子仅作为被动热库这一传统物理图像的局限。

图1. 振动泵浦诱导非线性声子辅助上转换发光的物理机制。（a）LO声子通过Fröhlich相互作用产生内部电场；（b）声子诱导的电场促进载流子隧穿及上转换发光；（c、d）热平衡态与振动泵浦态下载流子隧穿概率和上转换发光强度的理论比较。

为验证上述机制，研究团队在4 K下开展了功率依赖拉曼光谱测量。实验发现，LO声子的斯托克斯拉曼强度随激发功率近似线性增加，功率指数为1.13±0.03；反斯托克斯拉曼强度则表现出显著的超线性增长，功率指数达到2.19±0.06，表明体系中形成了由光激发驱动的非平衡声子布居。进一步的上转换发光实验发现，在2.33 eV带隙以下激发条件下，ZnTe纳米带的激子发光强度呈现显著的超线性增长。定量分析表明，实验条件下单光子带尾吸收贡献比双光子吸收高出5个数量级以上，支持振动泵浦增强载流子隧穿所导致的非线性上转换机制。

基于上述发现，研究团队进一步将振动泵浦引起的吸收增强引入传统半导体激光制冷理论。计算表明，在外部发光量子效率为99.5%、背景吸收与有效吸收系数之比为0.01的条件下，1 mW激发功率对应的预测净制冷功率可由传统线性模型的约0.63 μW提高至3.43 μW。该研究揭示了非平衡声子主动调控载流子动力学及光学响应的新机制，为发展基于声子振动泵浦的高效率低温光学制冷技术提供了新的研究方向。

该研究成果以“Nonlinear Phonon-Assisted Up-Conversion Photoluminescence Under Vibrational Pumping at Liquid-Helium Temperatures”为题，2026年10月21日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。中国科学院半导体研究所博士研究生常浩男、山西师范大学来嘉敏副教授为论文共同第一作者，半导体所张俊研究员为通讯作者。

该研究工作得到了国家青年科学基金项目（A类）、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/51xg-rsrb