在固態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域，通過強光場探索基本激發(fā)現(xiàn)象是推進材料性質(zhì)發(fā)展的基石。二維(2D)材料的出現(xiàn)開啟了半導(dǎo)體應(yīng)用的新時代，涵蓋了從光電到聲子器件的廣泛應(yīng)用。在這些材料中，二硒化鎢（WSe2）作為一種層狀二維半導(dǎo)體，展現(xiàn)出巨大的潛力。

本文探討了這一領(lǐng)域的最新突破：二維半導(dǎo)體WSe2中相干光學(xué)聲子的太赫茲和頻激發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《應(yīng)用物理快報》上，為開發(fā)新方法來控制WSe2中的聲子鋪平了道路。

理解基本原理

聲子是晶格內(nèi)原子振蕩的量子化模式，而光學(xué)聲子對應(yīng)于可以直接由光激發(fā)的這些振蕩。當(dāng)光與材料相互作用時，能量可以傳遞給晶格，產(chǎn)生相干聲子——都是同相的集體原子振蕩。這些聲子在材料的熱和電性質(zhì)中起著關(guān)鍵作用，影響熱容、熱導(dǎo)率和電子-聲子相互作用。在像WSe2這樣的半導(dǎo)體中，對這些聲子的操控可以導(dǎo)致在量子水平上控制材料屬性。

傳統(tǒng)上，這些聲子是使用紅外或可見光范圍內(nèi)的激光脈沖激發(fā)的。太赫茲輻射位于電磁波譜的微波和紅外區(qū)域之間，它具有獨特的特性，使它在操縱材料時變得有趣。然而，直接用太赫茲輻射激發(fā)相干光學(xué)聲子具有挑戰(zhàn)性，因為太赫茲光子和聲子本身之間存在很大的能量失配。

和頻激發(fā)機制

研究人員采用了一種新方法：太赫茲和頻激發(fā)。在這里，強烈的太赫茲脈沖與材料相互作用，通過非線性過程，它們的能量結(jié)合起來，在材料內(nèi)部創(chuàng)建虛擬電子激發(fā)。然后，這些虛擬狀態(tài)通過將其能量轉(zhuǎn)移給真實的光學(xué)聲子而衰減，從而有效地產(chǎn)生相干光學(xué)繩子。

研究人員通過用強而寬的太赫茲脈沖照射WSe2薄膜來實現(xiàn)這一點。然后，他們使用稱為太赫茲克爾效應(yīng)光譜的技術(shù)來探測由此產(chǎn)生的聲子動力學(xué)。該技術(shù)測量由材料內(nèi)部的聲子振蕩引起的入射光束偏振的變化。

實驗驗證和見解

實驗揭示了WSe2晶格中存在相干振蕩，特別是在E2g光學(xué)聲子模式內(nèi)。這些聲子的振幅顯示出對太赫茲場強度的二次方依賴，表明了一個太赫茲和頻激發(fā)過程。在這里，兩個頻率較低的太赫茲光子與材料相互作用，并集體轉(zhuǎn)移它們的能量，激發(fā)出一個能量更高的光學(xué)聲子模式。與傳統(tǒng)的單光子吸收機制相比，這一發(fā)現(xiàn)揭示了一種獨特的激發(fā)途徑。

此外，研究小組通過分析泵浦-探針極化和晶體取向依賴性進一步探索了這一現(xiàn)象。這與對稱分析一起，為非線性聲子-聲子相互作用提供了有價值的見解。這些相互作用描述了不同頻率的聲子如何在材料內(nèi)交換能量和動量。了解這些相互作用對于實現(xiàn)操縱聲子極化極其重要。

在WSe2中演示太赫茲和頻激發(fā)相干光學(xué)聲子代表了我們對二維材料中聲子動力學(xué)理解和控制的重大進展。該技術(shù)與使用紅外或可見光的傳統(tǒng)方法相比具有幾個優(yōu)勢。首先，與更高頻率的光相比，太赫茲輻射可以更深地穿透材料，這對于操縱像WSe2這樣的層狀結(jié)構(gòu)中的聲子特別有益。其次，控制太赫茲場強的能力允許定制特定聲子模式的激發(fā)，這可能導(dǎo)致材料特性的選擇性操縱。