WS2半导体中费米极子间相互作用的首次测量
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近期 ， 由澳大利亚高校领导的研究提供了世界上第一次二维WS2半导体中费米极子（Fermi polarons）间的相互作用的测量 ， 使用的是能够探测复杂量子材料的超快光谱 。 斯威本科技大学（Swinburne University of Technology）的研究人员在对二维半导体单层的实验中发现了激子-极子之间相互作用的特征 。
【WS2半导体中费米极子间相互作用的首次测量】莫纳什大学和皇家墨尔本理工大学的FLEET合作者开发了一个理论模型来解释这些实验信号 。 他们发现 ， 长距离的排斥性相互作用是由相位空间填充效应介导的 ， 而短距离的吸引性相互作用导致了合作结合的激子-激子-电子状态的形成 。
探索的生长条件 ， Godel et al. ACS Appl. Nano Mater. 2020
二硫化钨（WS2）来自半导体过渡金属二氯化物（TMDCs）家族 。 当块状材料被剥落到单一原子单层（厚度小于1纳米）时 ， 这些二维材料的物理性质变得相对容易掌控 。
许多有趣的物理学是由准粒子的产生和相互作用描述的 。 激发子就是这样一种准粒子 ， 它们主导着单层WS2的光学响应 。 当电子从价带（valence band）被激发到导带（conduction band）时 ， 就会形成激子 。 留下的空位（空穴）然后可以通过库仑力（Coulomb forces）与受激电子结合 ， 形成激子 。
“当单层中存在多余的电子时 ， 这种情况变得更加复杂 ， ”该论文的作者Jack Muir解释说 。 “这些‘备用’电子可以坐在传导带中 ， 不与光直接互动 。 然后激子可以与这些多余的电子结合 ， 形成三重子（trions） 。 ”
但是如果增加掺杂的密度会发生什么？每个激子不再只有一个电子 ， 而是五个、十个、数百个......此时 ， 激子可以被视为一个缺陷 。 激子和费米电子间的相互作用导致了新的准粒子 - 极子的形成 。 正如莫纳什大学教授Meera Parish所指出：“在费米海中有缺陷是一个超越二维WS2半导体的普遍问题 。 极化子的粒子在一系列系统中发挥着重要作用 ， 包括冷原子气体 ， 甚至中子星的内壳 。 ”
WS2生长图像的PLD工艺示意 ， Godel et al. ACS Appl. Nano Mater. 2020
多维相干光谱学（MDCS）利用四个精确控制的超快激光脉冲来揭示和量化相互作用 。 “大多数光谱技术 ， 如光致发光 ， 都无法将相互作用从单个粒子的反应中分离出来 。 MDCS经过优化 ， 正好可以做到这一点 ， ”通讯作者Jeffrey Davis教授解释说 。
改变不同脉冲的偏振显示了一个有趣现象：只有当费米极子耦合到同一个费米海时 ， 它们之间才有相互作用 。 这些相互作用的机制被确定为来自“相位空间填充”效应 。 当费米海中的电子作为极子的一部分与一个激子相互作用时 ， 它就不能参与形成另一个极子 。 这导致了极子之间的排斥力 ， 并解释了在实验中观察到的选择性互动 。
极子间的吸引作用 ， 导致双极子的形成也被确认 。 这些双极子的明显大的结合能被认为是钨基TMDCs所特有的 ， 是WS2中特定带状排列的结果 。
参考文献：Jack B. Muir et al Interactions between Fermi polarons in monolayer WS2《自然-通讯》（2022）. DOI: 10.1038/s41467-022-33811-x
