新光谱技术直接测量的双激子结合能助力电子学发展

       近日，澳大利亚斯威本科技大学的研究人员利用先进的光谱学技术首次可视化双激子结合能，即两个激子被束缚成双激子态所需的能量。该研究组与澳大利亚国立大学合作，直接测量了二硫化钨（WS2）的双激子结合能，WS2是一种二维层状材料，属于全员半导体的过渡金属硫化物族（以下简称TMDC）。

       研究组称，双量子-多维相干光谱（以下简称2Q-MDCS）是一种探测双激子态的技术，能够识别并分解WS2单层中的光激发双激子。为了进一步探索只有单原子层厚度的TMDC材料中的双激子特征，研究人员运行了一种超短激光脉冲束，这种脉冲已实现相位关系和确定波长的精准控制。

       斯威本科技大学的Jeff Davis教授说：“通过使用高精度多级脉冲束，我们可以直接探测选择的双激发态，同时去除单激发态的任何贡献”。

       2Q-MDCS方法能够直接测量双激子结合能，“这是目前传统技术，如光致发光光谱学无法做到的。”Davis教授称。

图1  双激子结合能量子化研究的通讯作者，Jeff Davis教授与其领导的斯威本超快光谱实验室的合影。该大学的研究人员利用先进的光谱技术可视化两个激子束缚为双激子态所需的能量。这项工作对新型量子材料和量子模拟器的开发具有启发性意义。（图片来源：FLEET）

       利用2Q-MDCS，研究人员观察双激子态时发现，未结合的两个激子产生了一个信号，表明这两个激子之间具有相互作用，但没有相互束缚。他们认为，双激子结合能的基本定义是非束缚双激子态和真正双激子态之间的能量差，测量值为26±2 meV。

       光谱中的峰分为双激子峰和非束缚双激子峰，横轴为结合能（meV），纵轴为信号强度，“测量双激子结合能的最佳手段是计算两者之间的能量差。”研究人员之一，Mitchell Conway说，“这是一个令人兴奋的现象，因为其它光谱技术无法观察到这些激子信号。”

       此外，研究人员还发现了单层WS2中双激子的特性。当用2Q-MDCS分解WS2的双激子峰时，他们观察到，两个自旋方向相反的明亮激子组合成双激子，称为明-明谷间双激子。

       相反，WS2单层中通过光致发光测量双激子是无法观察到特定的内部激子。先前定义双激子态的技术仅限于测量双激子态跃迁至激子态辐射的光子，这种跃迁无法精确测量双激子态或激子态相对于基态的能量。

       在二维材料中，由于低维效应，激子和激子复合体（如双激子）的结合能增强，意味着两个激子更容易束缚为双激子态，甚至在室温条件下，这为在新材料中双激子应用于一系列低能耗技术提供了可能性。

       “在我们将这些二维材料应用于下一代低能耗电子设备之前，我们需要清楚能驱动材料功能的基本性质。”Conway说。

       因此，准确识别半导体单层中双激子的技术也可以助推新型量子材料和量子模拟器的发展。

       以上工作发表在杂志《2D Materials》上。（原文链接：www.doi.org/10.1088/2053-1583/ac4779）