換僅有幾個(gè)原子層的極薄材料有望應(yīng)用于電子和量子技術(shù)。由德累斯頓工業(yè)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)在德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心（HZDR）進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)取得了顯著進(jìn)展： 專家們能夠在一種超薄、有效的二維材料中誘導(dǎo)出電中性和帶電發(fā)光粒子之間的極速切換過(guò)程。

這一成果為研究、光學(xué)數(shù)據(jù)處理和柔性探測(cè)器開(kāi)辟了新的前景。這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）雜志上。

與更傳統(tǒng)的塊狀晶體相比，二維半導(dǎo)體可以表現(xiàn)出根本不同的特性。特別是，它更容易產(chǎn)生所謂的激子粒子： 如果一個(gè)已知帶負(fù)電荷的電子在材料中吸收能量而被激發(fā)，它就會(huì)離開(kāi)原來(lái)的位置。它會(huì)留下一個(gè)移動(dòng)電荷--帶正電的 “空穴”。

電子和空穴相互吸引，共同形成一種稱為激子的結(jié)合態(tài)，這是一種電子對(duì)。如果附近有另一個(gè)電子，它就會(huì)被拉向另一個(gè)電子，形成三粒子狀態(tài)--科學(xué)術(shù)語(yǔ)稱為三離子。三離子的特點(diǎn)是將電荷與強(qiáng)光發(fā)射結(jié)合在一起，可以同時(shí)進(jìn)行電子和光學(xué)控制。

相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，激子和三離子之間的相互作用一直被認(rèn)為是一種開(kāi)關(guān)過(guò)程，這種過(guò)程本身就很有趣，而且對(duì)未來(lái)的應(yīng)用也很有意義。事實(shí)上，許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功地以有針對(duì)性的方式在這兩種狀態(tài)之間進(jìn)行了切換，但迄今為止切換速度有限。

這項(xiàng)研究由德累斯頓工業(yè)大學(xué)的Alexey Chernikov教授和HZDR物理學(xué)家Stephan Winnerl博士領(lǐng)導(dǎo)，現(xiàn)在已經(jīng)能夠大大加快這種切換速度。這項(xiàng)工作是在維爾茨堡-德累斯頓 “量子材料中的復(fù)雜性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ct.qmat ”英才集群框架內(nèi)進(jìn)行的。來(lái)自馬爾堡、羅馬、斯德哥爾摩和筑波的研究人員為該項(xiàng)目做出了重要貢獻(xiàn)。

先捕獲，后分離

實(shí)驗(yàn)是利用 HZDR 的特殊設(shè)施進(jìn)行的。FELBE 自由電子激光器可發(fā)出強(qiáng)烈的太赫茲脈沖--頻率范圍介于無(wú)線電波和近紅外輻射之間。研究人員首先在低溫條件下用短激光脈沖照射原子級(jí)薄的二硒化鉬層，產(chǎn)生激子。激子產(chǎn)生后，每個(gè)激子都會(huì)從材料中已經(jīng)存在的足夠數(shù)量的電子中俘獲一個(gè)電子，從而成為三離子。

Winnerl 解釋說(shuō)："當(dāng)我們向材料發(fā)射太赫茲脈沖時(shí)，三子又極快地重新變成了激子�！拔覀冎�所以能夠展示這一點(diǎn)，是因?yàn)榧ぷ雍腿�離子會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的近紅外輻射"。

實(shí)驗(yàn)中的決定性因素是太赫茲脈沖的頻率要匹配，以打破激子和電子之間的弱鍵，從而重新產(chǎn)生一對(duì)僅由一個(gè)電子和一個(gè)空穴組成的電子對(duì)。不久之后，這個(gè)激子又俘獲了另一個(gè)電子，再次成為一個(gè)三離子。

分離成激子的過(guò)程以創(chuàng)紀(jì)錄的速度進(jìn)行。鍵在幾皮秒（萬(wàn)億分之一秒）內(nèi)被打破。“這比以前的純電子方法快了近千倍，而且可以用太赫茲輻射按需產(chǎn)生，"圖大科學(xué)家切爾尼科夫強(qiáng)調(diào)說(shuō)。

新方法為研究提供了有趣的前景。下一步可能是將所演示的過(guò)程擴(kuò)展到各種復(fù)雜的電子狀態(tài)和材料平臺(tái)。這樣，由許多粒子之間的強(qiáng)相互作用而產(chǎn)生的非同尋常的物質(zhì)量子態(tài)，以及在室溫下的應(yīng)用，都將變得觸手可及。

數(shù)據(jù)處理和傳感器技術(shù)的前景

這些成果還可用于未來(lái)的應(yīng)用，例如傳感器技術(shù)或光學(xué)數(shù)據(jù)處理。

“Winnerl解釋說(shuō)：“可以想象，這種效應(yīng)將適用于新型快速開(kāi)關(guān)調(diào)制器。結(jié)合超薄晶體，可以開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)極為緊湊、能夠?qū)�光學(xué)編碼信息進(jìn)行電子控制的元件�！�

另一個(gè)領(lǐng)域是應(yīng)用于技術(shù)相關(guān)的太赫茲輻射的檢測(cè)和成像。

Chernikov建議說(shuō)：“根據(jù)已證實(shí)的原子薄半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)過(guò)程，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，或許有可能開(kāi)發(fā)出在太赫茲范圍內(nèi)工作的探測(cè)器，可在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并可作為具有大量像素的太赫茲照相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。原則上，即使強(qiáng)度相對(duì)較低，也足以觸發(fā)開(kāi)關(guān)過(guò)程�！�

將三離子轉(zhuǎn)換為激子會(huì)導(dǎo)致發(fā)射的近紅外光波長(zhǎng)發(fā)生特征性變化。檢測(cè)這種變化并將其轉(zhuǎn)換成圖像將相當(dāng)簡(jiǎn)單，而且可以利用現(xiàn)有的最先進(jìn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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