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光与物质相互作用的研究将提高电子和光电设备的性能
2018-10-12


[据物理学组织网站20181010日报道]伦斯勒理工学院化学和生物工程助理石教授在Nature Communications上发表了一篇论文,加强了我们对光作用在原子超薄半导体上所产生的激子复合粒子、多重电子及紧密结合在一起的空穴的理解。这些粒子拥有一个新的量子自由度,称为“谷自旋”。“谷自旋”类似于电子的自旋,它被广泛应用于硬盘等信息存储器,同时也很有希望应用在量子计算。



这篇论文的题目为“揭示BN/WSe2材料双激子和带电激子的复合”,发表在2018913日出版的 Nature Communications上。研究结果会对电子和光电设备带来新的应用,如太阳能采集器、新型激光器和量子传感器。



石教授的研究集中在低维度量子材料及其量子效应上,特别关注具有强烈光物质相互作用的材料。这些材料包括石墨烯、过渡性金属二氯化物(TMDs),如二硒化钨WSe2)和拓扑绝缘体。



TMDs代表了一种新型的原子超薄半导体,具有卓越的光学和光电特性。在二维单层TMDs上的光学激励将产生一个强束缚电子空穴对,被称为激子。而不是像传统的半导体那样产生自由移动地电子和空穴。这是由于单层TMDs具有巨大的结合能,它的数量级比传统半导体要大很多。因此,激子可以在室温下存活,从而可应用于激子器件。



当激子密度增加时,更多的电子和空穴对组合在一起,形成四粒子甚至五粒子激子复合体。对多粒子激子复合体的理解不仅使我们对二维空间中的光与物质相互作用有了基本的了解,而且还带来了新的应用,因为多粒子激子复合体比激子更能保持“谷自旋”的特性。石教授讲,尽管最近在TMDs中对激子和带电激子的理解有所发展,但是对双激子结合能的明确测量仍然是难以捉摸的。



“现在,我们第一次揭示了真正的双激子态,这是一种独特的四粒子复合物对光线的反应”石教授说,“我们还揭示了带电的双激子的性质,这是一个五粒子复合体。”



在伦斯勒理工学院,石的团队已经开发出一种装置来产生非常纯净的样本,用来揭示这种独特的光与物质相互作用。该装置是通过将多种原子薄材料叠加在一起,包括石墨烯、氮化硼(BN)和二硒化钨WSe2),通过Van Der Waals vdW)相互作用,代表了最先进的二维材料制造技术。



这项工作是和许多部门合作完成的,包括佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场实验室、日本国家材料科学研究所,以及伦斯勒理工学院的物理、应用物理及天文学领域研究中心的张绳百教授。他们的工作对双激子理论研究方面的发展都发挥了关键作用。



石教授讲,这项研究结果可能会大力推动多粒子光学物理的发展,并举例说明基于2D半导体可能存在的新应用。石教授获得了空军科学研究办公室的资助,而张教授得到了美国能源部科技办公室的支持。(工业和信息化部电子第一研究所 李茜楠)



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