在固態物理學領域，通過強光場探索基本激發現象是推進材料性質發展的基石。二維(2D)材料的出現開啟了半導體應用的新時代，涵蓋了從光電到聲子器件的廣泛應用。在這些材料中，二硒化鎢（WSe2）作為一種層狀二維半導體，展現出巨大的潛力。

本文探討了這一領域的最新突破：二維半導體WSe2中相干光學聲子的太赫茲和頻激發。這一發現發表在《應用物理快報》上，為開發新方法來控制WSe2中的聲子鋪平了道路。

理解基本原理

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

傳統上，這些聲子是使用紅外或可見光范圍內的激光脈沖激發的。太赫茲輻射位于電磁波譜的微波和紅外區域之間，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相干光學聲子具有挑戰性，因為太赫茲光子和聲子本身之間存在很大的能量失配。

和頻激發機制

研究人員采用了一種新方法：太赫茲和頻激發。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，它們的能量結合起來，在材料內部創建虛擬電子激發。然后，這些虛擬狀態通過將其能量轉移給真實的光學聲子而衰減，從而有效地產生相干光學繩子。

研究人員通過用強而寬的太赫茲脈沖照射WSe2薄膜來實現這一點。然后，他們使用稱為太赫茲克爾效應光譜的技術來探測由此產生的聲子動力學。該技術測量由材料內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光學聲子模式內。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，并集體轉移它們的能量，激發出一個能量更高的光學聲子模式。與傳統的單光子吸收機制相比，這一發現揭示了一種獨特的激發途徑。

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交換能量和動量。了解這些相互作用對于實現操縱聲子極化極其重要。

在WSe2中演示太赫茲和頻激發相干光學聲子代表了我們對二維材料中聲子動力學理解和控制的重大進展。該技術與使用紅外或可見光的傳統方法相比具有幾個優勢。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這樣的層狀結構中的聲子特別有益。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，這可能導致材料特性的選擇性操縱。