首次测量原子级薄二维半导体中费米极化子之间的相互作用

最近由澳大利亚领导的研究使用能够探测复杂量子材料的超快光谱，提供了世界上第一个原子级薄二维半导体中费米极化子之间相互作用的测量。

斯威本科技大学的研究人员在二维半导体单层二硫化钨的实验中发现了激子-极化子之间相互作用的特征。

莫纳什大学和RMIT的FLEET合作者开发了一个理论模型来解释实验信号。他们发现长距离的排斥相互作用是由相空间填充效应介导的，而短距离的吸引相互作用导致形成协同结合的激子-激子-电子态。

材料

二硫化钨(WS2)来自半导体过渡金属二硫属化物(C)家族。当块状材料被剥离成单个原子单层(小于1纳米厚)时，这些二维材料的物理特性变得非常有趣且可控。

许多有趣的物理学是通过准粒子的产生和相互作用来描述的。激子就是这样一种准粒子，它们支配着单层WS2的光学响应。当来自价带的电子被激发到导带时，就会形成激子。然后留下的空位(空穴)可以通过库仑力与激发的电子结合，形成激子。

“当单层中有多余的电子时，这张图片会变得更加复杂，”主要作者杰克缪尔解释道。“这些‘备用’电子可以位于导带中，不直接与光相互作用。激子可以与这些多余的电子结合，形成三重离子。”

费米极化子

但是如果增加掺杂的密度会发生什么呢?每个激子不再只有一个电子，而是五个、十个、数百个……此时，激子可以被认为是电子海洋中的一个缺陷。激子和费米电子海之间的相互作用导致新的准粒子——极化子的形成。

正如莫纳什教授MeeraParish指出的那样，“费米海中的缺陷是二维半导体之外的普遍问题。极化子准粒子在包括冷原子气体甚至中子星内壳在内的一系列系统中发挥着重要作用。”

本实验

多维相干光谱(MDCS)利用四个精确控制的超快激光脉冲来揭示和量化相互作用。

“大多数光谱技术，如光致发光，无法将相互作用与单粒子响应分开。MDCS已针对这一点进行了优化，”通讯作者JeffreyDavis教授解释说。

改变不同脉冲的极化揭示了一个有趣的观察结果：当它们耦合到同一个费米海时，费米极化子之间只有相互作用。

“这很令人兴奋，以前在这些系统中从未见过这样的情况，而且它背后的物理原理是新的，”杰克说。

相空间填充

这些相互作用的机制被确定为来自“相空间填充”效应：

当费米海中的电子作为极化子的一部分与一个激子相互作用时，它无法参与形成另一个极化子。这导致了极化子之间的排斥力，并解释了我们在实验中观察到的选择性相互作用。

强结合双极子

还确定了极化子之间的有吸引力的相互作用，导致双极化子的形成。这些双极化子的非常大的结合能被认为是钨基C所独有的，并且是WS2中特定能带排序的结果。

识别排斥和吸引相互作用及其潜在机制是更广泛地充分理解费米极化子和准粒子相互作用的重要一步。有了这一输入，我们离解开复杂材料的丰富物理特性并控制其显着的宏观特性又近了一步。

该研究发表在《自然通讯》上。