換僅有幾個原子層的極薄材料有望應(yīng)用于電子和量子技術(shù)。由德累斯頓工業(yè)大學領(lǐng)導的一個國際團隊在德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心（HZDR）進行的一項實驗取得了顯著進展： 專家們能夠在一種超薄、有效的二維材料中誘導出電中性和帶電發(fā)光粒子之間的極速切換過程。

這一成果為研究、光學數(shù)據(jù)處理和柔性探測器開辟了新的前景。這項研究發(fā)表在《自然-光子學》（Nature Photonics）雜志上。

與更傳統(tǒng)的塊狀晶體相比，二維半導體可以表現(xiàn)出根本不同的特性。特別是，它更容易產(chǎn)生所謂的激子粒子： 如果一個已知帶負電荷的電子在材料中吸收能量而被激發(fā)，它就會離開原來的位置。它會留下一個移動電荷--帶正電的 “空穴”。

電子和空穴相互吸引，共同形成一種稱為激子的結(jié)合態(tài)，這是一種電子對。如果附近有另一個電子，它就會被拉向另一個電子，形成三粒子狀態(tài)--科學術(shù)語稱為三離子。三離子的特點是將電荷與強光發(fā)射結(jié)合在一起，可以同時進行電子和光學控制。

相當長一段時間以來，激子和三離子之間的相互作用一直被認為是一種開關(guān)過程，這種過程本身就很有趣，而且對未來的應(yīng)用也很有意義。事實上，許多實驗室已經(jīng)成功地以有針對性的方式在這兩種狀態(tài)之間進行了切換，但迄今為止切換速度有限。

這項研究由德累斯頓工業(yè)大學的Alexey Chernikov教授和HZDR物理學家Stephan Winnerl博士領(lǐng)導，現(xiàn)在已經(jīng)能夠大大加快這種切換速度。這項工作是在維爾茨堡-德累斯頓 “量子材料中的復雜性和拓撲結(jié)構(gòu)，ct.qmat ”英才集群框架內(nèi)進行的。來自馬爾堡、羅馬、斯德哥爾摩和筑波的研究人員為該項目做出了重要貢獻。

先捕獲，后分離

實驗是利用 HZDR 的特殊設(shè)施進行的。FELBE 自由電子激光器可發(fā)出強烈的太赫茲脈沖--頻率范圍介于無線電波和近紅外輻射之間。研究人員首先在低溫條件下用短激光脈沖照射原子級薄的二硒化鉬層，產(chǎn)生激子。激子產(chǎn)生后，每個激子都會從材料中已經(jīng)存在的足夠數(shù)量的電子中俘獲一個電子，從而成為三離子。

Winnerl 解釋說："當我們向材料發(fā)射太赫茲脈沖時，三子又極快地重新變成了激子�！拔覀冎�所以能夠展示這一點，是因為激子和三離子會發(fā)出不同波長的近紅外輻射"。

實驗中的決定性因素是太赫茲脈沖的頻率要匹配，以打破激子和電子之間的弱鍵，從而重新產(chǎn)生一對僅由一個電子和一個空穴組成的電子對。不久之后，這個激子又俘獲了另一個電子，再次成為一個三離子。

分離成激子的過程以創(chuàng)紀錄的速度進行。鍵在幾皮秒（萬億分之一秒）內(nèi)被打破�！斑@比以前的純電子方法快了近千倍，而且可以用太赫茲輻射按需產(chǎn)生，"圖大科學家切爾尼科夫強調(diào)說。

新方法為研究提供了有趣的前景。下一步可能是將所演示的過程擴展到各種復雜的電子狀態(tài)和材料平臺。這樣，由許多粒子之間的強相互作用而產(chǎn)生的非同尋常的物質(zhì)量子態(tài)，以及在室溫下的應(yīng)用，都將變得觸手可及。

數(shù)據(jù)處理和傳感器技術(shù)的前景

這些成果還可用于未來的應(yīng)用，例如傳感器技術(shù)或光學數(shù)據(jù)處理。

“Winnerl解釋說：“可以想象，這種效應(yīng)將適用于新型快速開關(guān)調(diào)制器。結(jié)合超薄晶體，可以開發(fā)出結(jié)構(gòu)極為緊湊、能夠?qū)�光學編碼信息進行電子控制的元件。”

另一個領(lǐng)域是應(yīng)用于技術(shù)相關(guān)的太赫茲輻射的檢測和成像。

Chernikov建議說：“根據(jù)已證實的原子薄半導體開關(guān)過程，從長遠來看，或許有可能開發(fā)出在太赫茲范圍內(nèi)工作的探測器，可在很寬的頻率范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，并可作為具有大量像素的太赫茲照相機來實現(xiàn)。原則上，即使強度相對較低，也足以觸發(fā)開關(guān)過程�！�

將三離子轉(zhuǎn)換為激子會導致發(fā)射的近紅外光波長發(fā)生特征性變化。檢測這種變化并將其轉(zhuǎn)換成圖像將相當簡單，而且可以利用現(xiàn)有的最先進技術(shù)來實現(xiàn)。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01512-0