前瞻经济学人 看懂未来新十年

打开APP

《Science》:在层状半导体中实现双曲极化!中山大学邓少芝、陈焕君评论

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

【无中生有】

光在材料中的传播通常以散射和色散来描述,且由与材料晶体结构相关的等频面控制。对于各向同性的晶体,这个表面是球形的,对于许多各向异性的晶体,这个表面是椭球面。在人工设计的异向材料和各向异性层状材料中,色散可以是双曲的。双曲介质能够支持超短波长的电磁波,可实现对亚波长光的捕获和处理。尤其是,在中红外到太赫兹范围内的双曲,可以用于控制热辐射和传热。尽管已经在人工超材料和天然材料中发现了双曲,但是在本质上非双曲的材料中产生并积极控制双曲是十分困难的。

近日,美国哥伦比亚大学A. J. Sternbach团队报道了对范德瓦尔斯半导体(WSe2)中光诱导电子双曲的观察。研究人员利用光激发在WSe2中注入电子-空穴对,然后通过瞬态纳米成像,将沿着晶体内部圆锥形轨迹运动的双曲线光线可视化。建立了可编程双曲电动力学的特征,同时对观察到的极化子响应中里德伯系列(Rydberg series)内激子的量子跃变的作用进行了评估。该研究以“Programmable hyperbolic polaritons in van der Waals semiconductors”为题发表在最新一期的《Science》上,中山大学邓少芝、陈焕君在Science上以“Ultrafast generation of optical hyperbolicity”为题对该文章进行了评论。

2

【二维半导体助力】

WSe2是一种范德瓦尔斯半导体。光注入产生的高密度电子-空穴对,在入射光与电或磁偶极子振荡的耦合下会产生瞬态的双曲极化子电磁模式。通过调节光激发密度,可以在中红外波段动态控制工作波长。作者进一步使用纳米成像技术对圆锥形的极化子波前进行了可视化。

双曲本质上要求符号相反的面内、面外介电常数。传统上主要通过由重复的金属图案组成的人工超材料来实现。然而,图案的特征尺寸(几十纳米到几百微米)严重削弱了将光限制在纳米尺度的能力。而依靠原子级别晶胞的天然材料,可以缓解这个问题。其中,通过范德瓦尔斯力结合、具有原子平面的范德瓦尔斯晶体和异质结表现出高度方向依赖的介电响应,继承了其各向异性的电子结构、晶格振动。特别是,支持极化激元的vdW晶体在紫外到太赫兹的光谱范围内具有双曲。自2014年以来,研究人员已经在WTe2(等离子体激元)、h-BN、α-MoO3、α-V2O5(声子极化激元)等范德瓦尔斯晶体中实现了双曲极化。此外,范德瓦尔斯晶体的极化特性可以通过化学掺杂、电门控和光注入进行主动控制,在可调谐的光子和光电子应用方面极具潜力。

3

瞬态双曲

【宽谱调谐,亚皮秒尺度的瞬态过程】

与其他方法相比,光注入具有高速、全光控制、高开/关比等优点,是调节范德瓦尔斯晶体极化特性的一种有效方法。然而,在没有本征极化子的情况下,要在范德瓦尔斯晶体中实现双曲极化仍然是一个挑战。WSe2具有各向异性的电子结构,其光学等频面是一个椭球体,基面上的介电常数与垂直方向上的介电常数不同。光注入电子-空穴对可以形成一系列离散的激子态。由于激子在不同状态之间的跃迁耦合到光子上,从而形成了极化子。因此,等频面的拓扑结构将从一个封闭的椭球转变为一个开放的双曲面。由于跃迁能量为数十毫电子伏,双曲响应位于中红外范围(750 ~ 1000 cm-1)。在晶体内传播的定向光线是双曲响应的证据。此外,由于激子态的寿命很短,双曲是一个亚皮秒时间尺度(<10-12 s)的瞬态过程。

实验表明,通过调节光激发密度,可以动态调节这种双曲(主要由于决定介电常数大小和符号的激子跃迁强烈地依赖于光注入载流子密度(nx),而nx随激发功率的增加而单调增加)。因此,通过调节激发功率,极化带可以跨域非常宽的电磁谱。这一优点可以解决范德瓦尔斯晶体中的大多数双曲只能在窄谱宽内调谐的问题。从而拓宽了其应用,如通过调整双曲带重叠来提高生物和化学传感的性能,或是增强中红外到太赫兹光谱范围内的分子振动和转动指纹。

【应用广泛】

瞬态双曲极化子使得在纳米尺度、亚皮秒时间尺度和宽光谱范围内控制光成为了可能。超快且强约束的红外极化场还能够以亚皮秒的时间分辨率和纳米级别的空间分辨率来研究各种物理和化学过程,远远超过了传统的光谱技术。例如,所产生的极化激元的弛豫可以用来探测材料内部高能载流子的衰变动力学,并可以越过异质结界面的势垒。瞬态极化场与量子材料的耦合可以研究凝聚态物理中被中红外或太赫兹波激活的各种量子相变。更进一步的,将超快双曲极化子与材料内部的电子和光子过程相结合,可以激发出各种有趣的现象以及相关应用。例如,通过利用强瞬态定域极化场辅助的电子场发射,有望获得具有高时空分辨率的超快电子源。通过将光注入载流子耦合到集体极化电荷振荡中,建立的理论基础可以应用于其他类型的极化子,使之成为有效的光场次衍射调制的新范例。

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


阅读全文
打开APP,享受沉浸式阅读体验

提问研究员

一键提问研究员,零距离互动交流

我要提问
1

App数据库能为你做什么?

看看用户怎么说

2

App问答能为你做什么?

看看用户怎么说

3

App报告能为你做什么?

看看用户怎么说

4

App文章能为你做什么?

看看用户怎么说

相关阅读