胶体纳米晶Floquet态和其退相干的观测

近日，中国科学院大连化学物理研究所吴凯丰研究员和朱井义副研究员团队在低维材料超快光物理领域取得重要进展。团队利用可见飞秒脉冲相干驱动胶体CdSe纳米片，在近红外区观测到了Floquet态的光谱特征，并且在时域上捕捉到了Floquet态到平衡电子态转变的动力学过程。这一研究深刻揭示了近共振光学跃迁的内在量子机制，将Floquet工程研究的范围拓展到了化学合成材料体系，为半导体材料光学响应和量子相干动力学的超快相干操纵提供了重要启示。

相关研究成果以“Observation of Floquet states and their dephasing in colloidal nanoplatelets driven by visible pulses”为题，于2024年8月13日发表于《Nature Photonics》上。

02研究背景

材料量子态精准操纵的研究对新一代能源和信息技术等领域具有重要意义，高速振荡的激光场对量子态的相干缀饰效应则是实现这一目标的重要手段。数理上，强激光场与物质的相干作用可以在Floquet理论框架下加以描述：时变周期外场驱动物质的量子态，其耦合薛定谔方程的解会获得在能量空间上一系列等间隔本征态，也即Floquet态。在低维半导体材料中，由于表界面效应等因素带来了强烈的散射，观测这一非平衡量子态具有相当大的挑战性，往往需要借助超强光场、超低温来克服其中的退相干过程，这对材料的稳定性和实验条件提出了较高的要求。在另一方面，此前观测Floquet态普遍采用时间分辨光电子能谱技术，而这一技术的实现需要借助于昂贵且复杂的真空设备，且多集中在对特殊固态晶体材料的观测。

基于溶液化学法制备的胶体半导体纳米晶由于其在成本和尺寸形貌可控性等方面的优势，近年来成为新兴的研究光与物质相互作用的重要平台。由于这些材料中量子限域效应非常显著，其带边具有锐利的光学跃迁，特别适合驱动这些跃迁来产生Floquet态。吴凯丰研究员团队长期致力于胶体半导体纳米晶的超快光物理研究，率先实现了量子点自旋的室温相干操控（Nat. Nanotechnol.，2023）；揭示了量子点激子精细结构裂分的新机制（Nat. Mater.，2022）；并受邀综述了量子点的相干效应及量子信息应用等（Nat. Mater.，2024；Nat. Nanotechnol.，2023）。

03研究创新点

通过精确可控化学合成，将Floquet state的研究率先扩展到溶液相胶体纳米晶新材料体系，实现此领域一大创新。

图1. 胶体CdSe纳米片的电子结构和光学跃迁

研究团队选择了厚度精确可控的CdSe纳米片作为模型体系来观测其在可见光驱动下所产生的Floquet态（图1），由于电子在垂直于纳米片平面方向的运动上存在着限域，因此形成了一系列量子化的能级（子带）。根据电子包络函数的对称性的要求，重空穴能级（|hh1⟩）和最低的两个电子能级（|e1⟩和|e2⟩）可以构成级联的三能级系统，可以使用失谐光子驱动带间跃迁（|hh1⟩→|e1⟩）来形成Floquet态（|hh1 + ?ωL⟩）。

图2. 胶体CdSe纳米片中Floquet态的观测

在~70 meV失谐量下，团队观察到在|e1⟩→|e2⟩子带间跃迁（A2）的蓝端出现了新的吸收特征（A1）。这一吸收特征仅出现在时间零点附近，说明其起源于光与物质相干的相互作用（图2）。团队从一系列失谐量下测得的A1吸收特征中提取了Floquet态|hh1 + ?ωL⟩的能量，发现其在不同样品中均能够与Floquet理论的预测值较好地吻合（图3）。

此外，A1和A2两个吸收特征在动力学上存在着此消彼长的关联行为，说明光子和物质相干叠加形成的Floquet态会历经退相干转化为平衡电子态|e1⟩（图2和图4）。这是因为在胶体纳米晶中，表界面和缺陷处存在着强烈的散射，从而破坏光和电子态的相干耦合。

图3. 不同失谐量下观测到的Floquet态

本研究开拓性地使用了可见脉冲泵浦-宽带近红外探测技术，建立了一种在温和条件下利用纯光学手段观测Floquet态的方法，展示了瞬态吸收光谱探测技术的应用典范。该研究基于密度矩阵和量子力学原理，进行了全面的建模和光谱模拟，成功预测并直观再现实验结果。

图4. 理论模拟

04总结与展望

本研究不仅首次在温和条件下利用纯光学手段观测到了低维半导体材料中的Floquet态，还揭示了其通过退相干转化为平衡电子态的动力学行为。这些发现对化学相关体系的光学相干操控具有重要的启示，考虑到Floquet态的动力学行为和表界面化学环境的关联性，我们有望通过Floquet态来操控胶体纳米晶表界面处的能量和电荷转移等化学反应，从而开辟新的学科交叉领域“Floquet化学”。

本文的第一作者是中科院大连化物所在读博士生李宇轩，通讯作者是吴凯丰研究员和朱井义副研究员。本工作得到了中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、新基石科学基金会科学探索奖、我所创新基金等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01505-z