美国伦斯勒理工学院史夙飞教授团队在激子-声子相互作用研究取得重要进展

撰稿| 李志鹏

近日，美国伦斯勒理工学院史夙飞教授及其合作者在Nature Communications上发表了题为“Phonon-exciton Interactions in WSe₂ under a quantizing magnetic field”的研究论文 (Nat. Commun., 2020, 11, 3104)。在高质量的h-BN/WSe₂/h-BN三明治结构器件中，发现带电暗激子可以同时与K点和Γ点的手性声子相互作用，生成许多独特的准粒子——带电暗激子伴线。在强磁场作用下，带电激子和由K点作用生成的带电暗激子伴线产生朗道能级。同时，由于激子-声子相互作用解除了朗道能级跃迁的选择定则，带电暗激子伴线朗道扇与带电激子明显不同，基于此，研究人员从实验上分别得到电子和空穴的有效质量，并且二者明显不对称。此外，朗道能级的出现伴随着极大的谷塞曼位移，表明多体效应对激子-声子相互作用具有重要影响。这一工作表明单层WSe₂可以作为研究激子-声子相互作用及其与电荷、自旋和能谷相互影响的重要平台。

 在过渡金属硫族化合物（TMDCs）中，强多体效应和库伦相互作用显著增强激子-声子相互作用，如与Γ点声子相互作用产生自旋禁态声子伴线和与K点声子相互作用导致谷间激子的出现，二者都具有长寿命和突出的谷极化特性。再加上自旋-能谷锁效应和非平庸贝里相位，磁场下的激子-声子相互作用将产生一些非常有趣的现象，如具有谷极化的朗道能级和独特的朗道能级跃迁选择定则。

首先，通过调节栅极电压从电子掺杂扫描到空穴掺杂，在h-BN/WSe₂/h-BN三明治结构器件中(图1)发现在 p-端和n-端都出现许多不同的激子态。除了一些之前已经确定的激子态外，研究人员还发现带正电激子在栅极电压-2.5到-4 V间出现一个明显的红移，而带正电暗激子和其他五个激子态也具有这一特征，再加上带电暗激子与这五个激子态之间在不同电压下具有恒定的能量差，表明这五个载流子是带电暗激子伴线。同理，在n端也发现带负电暗激子伴线。

图1 h-BN/WSe₂/h-BN三明治结构器件的光致发光光谱

 其次，研究人员通过磁场下的扫描栅极电压光致发光光谱发现，带正电激子（X⁺）和与K点声子（¹E’(K)和²E’(K)）作用的带电暗激子伴线出现明显的朗道能级（图2a和2b）。并且带电暗激子伴线朗道扇与带电激子明显不同（3.9 meV vs 7.0 meV，图2c），说明激子-声子相互作用解除了朗道能级跃迁的光选择定则（图2e和2f），由此可以分别获得电子和空穴的有效质量，发现它们明显不对称，这明显有别于之前电子和空穴对称的假设，说明可能存在多体效应。

图2 强场下带电激子和带电暗激子伴线出现朗道能级

最后，研究人员通过塞曼位移分别得出在-1 V时带正电激子（X⁺），带正电暗激子（）和带正电暗激子伴线的朗德因子分别为-5.2, -9.8, -11.6和-13.1。有趣的是，带正电激子的朗德因子受栅极电压调节，在-2.6 V出现一个突变之后随着p-掺杂的增强而增大，这表明存在多提相互作用的影响。因此，在高p-端掺杂情况下，激子-极化子是比带正电激子更好的物理图像。

图3 磁场下光致发光光谱的谷塞曼位移

本研究揭示了二维材料WSe₂中由于独特的非相干激子-声子相互作用，可以通过PL分别获得电子和空穴的有效质量，并且二者展现出明显的可能源自多体效应产生的不对称。同时，具有谷极化的朗道能级和独特的朗道能级跃迁选择定则为开发自旋电子学和谷电子学奠定基础。论文的共同一作是李志鹏博士，博士生王天盟，博士生缪胜男和李运美博士，通讯作者史夙飞教授。其他合作者还包括佛罗里达州立大学博士生路正光，康奈尔大学金晨皓博士，日本的Taniguchi和Watanabe 博士，亚利桑那州立大学的Tongay教授，香港大学的姚望教授和美国国家高磁实验室的Dmitry Smirnov博士，德克萨斯大学达拉斯分校张传伟教授以及史夙飞教授课题组的博士生连震和孟余泽。

戳“阅读原文或二维码”查看英文文献

 文章链接

Phonon-exciton Interactions in WSe₂ under a quantizing magnetic field

Zhipeng Li, Tianmeng Wang, Shengnan Miao, Yunmei Li, Zhengguang Lu, Chenhao Jin, Zhen Lian, Yuze Meng, Mark Blei, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Sefaattin Tongay, Wang Yao, Dmitry Smirnov, Chuanwei Zhang, and Su-Fei Shi

http://dx.doi.org/10.1038/s41467-020-16934-x

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除）。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。

亲爱的读者，请点击在看，多多支持我们呦！