Phys.Rev.Lett.:二维材料的层间光激发动力学新机制

2024-01-04 03:01

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在光与量子材料相互作用的过程中，光激发的电子态会如何响应和演变？这个问题的深入探索对于开发高性能的光电子材料和器件至关重要。近些年来虽然在双层二维材料的层间光激发动力学领域积累了大量实验数据，但对于这一核心物理过程的理论解释还远未充分。大多数现有理论模型仅基于不够精确的单粒子图像，而忽略了在二维材料的光学性质中极为关键的多体激子效应。

最近，来自加州大学伯克利分校的胡晨博士和Steven G. Louie教授等研究者，运用最新发展的含时GW第一性原理理论方法，首次发现了层间超快光激发响应和激子动力学的多体激子态耦合机制。这一研究成果以“Excitonic Interactions and Mechanism for Ultrafast Interlayer Photoexcited Response in van der Waals Heterostructures”为题发表在Physical Review Letters期刊上，并被选为编辑推荐（Editors’ Suggestion）。

过渡金属二硫族化合物（TMD）家族因其卓越的光学特性和激发态特征在光电子学领域引起了广泛关注，而探究双层TMD材料中的层间关联效应和光激发响应，对于理解并推动这些材料的实际应用则尤为重要。在实验层面，一种被广泛采用的超快光激发响应测量技术是泵浦-探测法 (pump-probe)。该方法首先使用特定频率的激光脉冲来选择性地激发某一层材料（泵浦过程），随后在一定时间延迟（delay）后，利用另一频率的激光来探测另一层材料的光学响应（探测过程）。通过追踪随时间变化的光学响应信号，可以实时测量层间的激发态动力学行为（参见图1）。

图 1：MoSe₂/WSe₂ 双层异质结构的pump-probe超快光激发响应探测示意图。

正如前文提及，此物理过程在大多数早期研究中被理解为一个“单粒子” （single-particle）过程，即光激发某层材料后，产生的电子和空穴作为“独立”粒子在层间能带杂化耦合或声子作用下移动，从而引发另一层的光学响应。然而，这种单粒子物理图像是不全面的。在二维材料中，光激发的电子和空穴通过强烈的库仑作用耦合，形成了一种新的准粒子—激子。因此，对层间光激发动力学现象的全面理解需要同时考虑多体激子效应（即电子-空穴关联效应）以及非平衡动力学的复杂演变过程，这为第一性理论计算带来了极大的挑战。而本文研究者们基于一种最新发展的含时GW (time-dependent GW）理论方法成功克服了这一难题。

研究者们发现并揭示了一种全新的多体激子耦合机制（见图2）：当特定频率的激光脉冲照射到MoSe₂/WSe₂双层材料时，会在特定层（MoSe₂）中激发形成层内激子（intralayer exciton）, 而这些层内激子会进而与跨越两层的层间激子（interlayer exciton）发生耦合并转换，从而引发另一层（WSe₂）的超快光学响应。