研究团队成功实现微小光源的超快速切换

换仅有几个原子层的极薄材料有望应用于电子和量子技术。由德累斯顿工业大学领导的一个国际团队在德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）进行的一项实验取得了显著进展： 专家们能够在一种超薄、有效的二维材料中诱导出电中性和带电发光粒子之间的极速切换过程。

这一成果为研究、光学数据处理和柔性探测器开辟了新的前景。这项研究发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志上。

与更传统的块状晶体相比，二维半导体可以表现出根本不同的特性。特别是，它更容易产生所谓的激子粒子： 如果一个已知带负电荷的电子在材料中吸收能量而被激发，它就会离开原来的位置。它会留下一个移动电荷--带正电的 “空穴”。

电子和空穴相互吸引，共同形成一种称为激子的结合态，这是一种电子对。如果附近有另一个电子，它就会被拉向另一个电子，形成三粒子状态--科学术语称为三离子。三离子的特点是将电荷与强光发射结合在一起，可以同时进行电子和光学控制。

相当长一段时间以来，激子和三离子之间的相互作用一直被认为是一种开关过程，这种过程本身就很有趣，而且对未来的应用也很有意义。事实上，许多实验室已经成功地以有针对性的方式在这两种状态之间进行了切换，但迄今为止切换速度有限。

这项研究由德累斯顿工业大学的Alexey Chernikov教授和HZDR物理学家Stephan Winnerl博士领导，现在已经能够大大加快这种切换速度。这项工作是在维尔茨堡-德累斯顿 “量子材料中的复杂性和拓扑结构，ct.qmat ”英才集群框架内进行的。来自马尔堡、罗马、斯德哥尔摩和筑波的研究人员为该项目做出了重要贡献。

先捕获，后分离

实验是利用 HZDR 的特殊设施进行的。FELBE 自由电子激光器可发出强烈的太赫兹脉冲--频率范围介于无线电波和近红外辐射之间。研究人员首先在低温条件下用短激光脉冲照射原子级薄的二硒化钼层，产生激子。激子产生后，每个激子都会从材料中已经存在的足够数量的电子中俘获一个电子，从而成为三离子。

Winnerl 解释说："当我们向材料发射太赫兹脉冲时，三子又极快地重新变成了激子。“我们之所以能够展示这一点，是因为激子和三离子会发出不同波长的近红外辐射"。

实验中的决定性因素是太赫兹脉冲的频率要匹配，以打破激子和电子之间的弱键，从而重新产生一对仅由一个电子和一个空穴组成的电子对。不久之后，这个激子又俘获了另一个电子，再次成为一个三离子。

分离成激子的过程以创纪录的速度进行。键在几皮秒（万亿分之一秒）内被打破。“这比以前的纯电子方法快了近千倍，而且可以用太赫兹辐射按需产生，"图大科学家切尔尼科夫强调说。

新方法为研究提供了有趣的前景。下一步可能是将所演示的过程扩展到各种复杂的电子状态和材料平台。这样，由许多粒子之间的强相互作用而产生的非同寻常的物质量子态，以及在室温下的应用，都将变得触手可及。

数据处理和传感器技术的前景

这些成果还可用于未来的应用，例如传感器技术或光学数据处理。

“Winnerl解释说：“可以想象，这种效应将适用于新型快速开关调制器。结合超薄晶体，可以开发出结构极为紧凑、能够对光学编码信息进行电子控制的元件。”

另一个领域是应用于技术相关的太赫兹辐射的检测和成像。

Chernikov建议说：“根据已证实的原子薄半导体开关过程，从长远来看，或许有可能开发出在太赫兹范围内工作的探测器，可在很宽的频率范围内进行调节，并可作为具有大量像素的太赫兹照相机来实现。原则上，即使强度相对较低，也足以触发开关过程。”

将三离子转换为激子会导致发射的近红外光波长发生特征性变化。检测这种变化并将其转换成图像将相当简单，而且可以利用现有的最先进技术来实现。

相关链接：https://phys.org/news/2024-09-team-succeeds-ultra-fast-tiny.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01512-0