仅由几个原子层组成的极薄材料有望应用于电子和量子技术。德累斯顿工业大学领导的国际团队在亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心 (HZDR) 进行的一项实验中取得了显著进展：专家们能够在超薄、实际上是二维的材料中诱导电中性和带电发光粒子之间的极快切换过程。

研究团队成功实现微小光源超快速切换

该成果为光学数据处理和柔性探测器的研究开辟了新视角。该研究成果发表在《自然光子学》杂志上。

与更传统的块状晶体相比，二维半导体可以表现出根本不同的特性。特别是，它更容易产生所谓的激子粒子：如果材料中已知带负电的电子通过吸收能量而被激发，它就会从原来的位置移开。它留下一个移动电荷——一个带正电的“空穴”。

电子和空穴相互吸引，形成一种称为激子的束缚态，这是一种电子对。如果附近有另一个电子，它就会被拉向激子，形成三粒子态——科学术语中称为三重子。三重子的特殊之处在于电荷与强光发射的结合，从而可以同时进行电子和光学控制。

长期以来，激子和三子之间的相互作用一直被视为一种转换过程，这种过程本身就很有趣，也可能对未来的应用产生影响。事实上，许多实验室已经成功地以有针对性的方式在两种状态之间切换——但到目前为止，切换速度有限。

这项研究由德累斯顿工业大学的 Alexey Chernikov 教授和 HZDR 物理学家 Stephan Winnerl 博士领导，现已能够显著加速这种转换。这项工作是在维尔茨堡-德累斯顿卓越集群“量子材料的复杂性和拓扑，ct.qmat”的框架内进行的。来自马尔堡、罗马、斯德哥尔摩和筑波的研究人员为该项目做出了重要贡献。

先抓后分离

实验是在 HZDR 的一个特殊设施上进行的。FELBE 自由电子激光器发出强烈的太赫兹脉冲——频率范围介于无线电波和近红外辐射之间。研究人员首先在低温下用短激光脉冲照射一层原子厚度的二硒化钼，产生激子。激子一经产生，每个激子就会从材料中已经存在的足够数量的电子中捕获一个电子，从而变成三子。

“当我们向材料发射太赫兹脉冲时，三子会极快地重新形成激子，”Winnerl 解释道。“我们之所以能够展示这一点，是因为激子和三子发射不同波长的近红外辐射。”

强太赫兹辐射对单层 MoSe 2中激子-电子复合物的影响。图片来源：Nature Photonics (2024)。DOI：10.1038/s41566-024-01512-0

实验的决定性因素是太赫兹脉冲的频率匹配，以打破激子和电子之间的弱键——因此再次重新形成仅由一个电子和一个空穴组成的对。不久之后，这个激子捕获另一个电子并再次变成三重子。

激子分离的速度创下了纪录。键在几皮秒(万亿分之一秒)内断裂。“这比以前使用纯电子方法的速度快了近一千倍，而且可以根据需要使用太赫兹辐射产生，”TU 科学家 Chernikov 强调道。

这种新方法为研究提供了有趣的前景。下一步可能是将演示的过程扩展到各种复杂的电子状态和材料平台。因此，由许多粒子之间的强相互作用产生的不寻常的物质量子态以及室温下的应用都将触手可及。

数据处理和传感器技术的前景

该结果也可能对未来的应用有用，例如传感器技术或光学数据处理。

Winnerl 解释道：“可以设想将这种效应应用于具有快速切换功能的新型调制器。结合超薄晶体，这可用于开发极其紧凑且能够以电子方式控制光学编码信息的元件。”

另一个领域是技术相关的太赫兹辐射的检测和成像应用。

“基于原子级厚度半导体中演示的切换过程，从长远来看，我们有可能开发出工作在太赫兹波段、可在很宽的频率范围内调节的探测器，并可实现具有大量像素的太赫兹相机，”切尔尼科夫表示。“原则上，即使是相对较低的强度也足以触发切换过程。”

将三子转化为激子会导致发射的近红外光波长发生特征变化。检测这一点并将其转换为图像相当简单，可以使用现有的最先进技术来实现。