美国伦斯勒理工学院史夙飞教授团队在激子能量量子化研究取得重要进展

撰文｜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Physical Review X上发表了题为“Observation of Quantized Exciton Energies in Monolayer WSe₂ under a Strong Magnetic Field”的研究论文 (Phys. Rev. X, 2020, 10, 021024)。在高质量的h-BN/WSe₂/h-BN三明治结构器件中，通过静电掺杂和外加面外磁场，在强库仑相互作用系统的TMDC二维材料WSe₂中首次实现激子能量量子化。由于朗道能级间独特的谷选择定则，利用磁场下的谷分辨反射光谱，研究人员发现能谷内的激子和跨能谷的激子-极化子随栅极电压的变化展现出引人注目的梯级平台。并且，激子能量量子化的梯级间距对载流子浓度变化非常敏感，显示存在显著的多体物理效应。这一工作对研究基于朗道能级间相互作用和多体物理效应的量子作用具有重要意义。

能量量子化是量子物理的一个标志表现。其中，二维费米载流子在强的面外磁场作用下导致朗道能级量子化而产生的量子霍尔效应就是一个重要例证。量子电导的发现是现代物理的一个重要里程碑，开启了全新的物理探索旅程，例如拓扑保护态研究。一个引人关注的问题是，作为玻色子准粒子的激子-强库仑相互作用电子空穴对，在朗道能级量子化条件下将会展现出哪些奇妙的特性呢？然而，由于激子的结合能远超过朗道能级能量间距，这一物理图景无法在传统的量子井中实现。

首先，研究人员在h-BN/WSe₂/h-BN三明治结构器件中(图1)，通过调节栅极电压可以显著调控在p-端和n-端的载流子浓度，具体可以分为电中性区域(I)，激子的1s  和2s 态最显著；空穴掺杂区域(II)，带正电激子出现；低电子掺杂区域(III)，产生谷内和谷间带负电激子；以及高电子掺杂区域(IV)，出现激子-等离子模。

图1 h-BN/WSe₂/h-BN三明治结构器件的光反射光谱

 其次，研究人员通过磁场下的谷分辨光反射光谱发现，由于磁场导致K和K’能量简并的破缺，导致K和K’能谷随栅极电压变化出现不对称朗道能级量子化。在K能谷，谷内的激子出现朗道能级能量量子化，而在K’能谷，谷内激子p-掺杂增强而迅速消失，同时，跨能谷的激子-极化子出现朗道能级能量量子化。

图2 h-BN/WSe₂/h-BN三明治结构器件在磁场下的光反射光谱出现朗道能级能量量子化

最后，通过分析谷内激子和跨能谷的激子-极化子能量随栅极电压的变化规律，发现它们能量展现出与此前报道的MoSe₂类SdH震荡完全不同的能量量子化梯级平台，这是源于更高质量的器件减小散射和更高的外加磁场引起更大朗道能级间的能量间隔，这类似于SdH向QHE突变。同时，研究人员发现当激子从一个平台转变到另一个平台时，反射光谱的强度也出现一个突变。此外，通过分析不同磁场下的激子和激子-极化子能量随栅极电压和载流子浓度变化分别构筑了激子和激子-极化子的朗道扇。并且，计算显示低掺杂p-端（激子结合能大）和高掺杂n-端（激子结合能可以忽略）的激子有效约化质量分别为0.34m₀和0.24m₀，这意味着不同库仑相互作用强度下的朗道效应具有不同的物理内涵——p-端强库仑相互作用条件下的朗道能级间距明显异于高掺杂n-端，说明多体物理效应的影响显著。

图3 激子能量量子化及自旋和能谷极化的朗道能级

本研究揭示了二维材料谷内的激子和跨能谷的激子-极化子在强外加磁场下存在类QHE的朗道能级能量量子化，并且低掺杂p-端和高掺杂n-端的激子有效约化质量展现出明显的不对称，为研究朗道能级相互作用和多体物理效应提供一个全新平台。论文的共同一作是博士生王天盟，李志鹏博士，博士生路正光和李运美博士。共同通讯作者是史夙飞教授和德克萨斯大学达拉斯分校张传伟教授。其他合作者还包括香港大学的姚望教授，日本的Taniguchi和Watanabe 博士，亚利桑那州立大学的Tongay教授，美国国家高磁实验室的Dmitry Smirnov博士以及史夙飞教授课题组的博士生缪胜男，连震，孟余泽。

戳“阅读原文或二维码”查看英文文献

 文章链接

Observation of Quantized Exciton Energies in Monolayer WSe₂ under a Strong Magnetic Field

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

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.021024

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！