研究人員首次測量WS2半導體中費米極子間的相互作用

近期，由澳大利亞高校領導的研究提供了世界上第一次二維WS₂半導體中費米極子（Fermi polarons）間的相互作用的測量，使用的是能夠探測複雜量子材料的超快光譜。斯威本科技大學（Swinburne University of Technology）的研究人員在對二維半導體單層的實驗中發現了激子-極子之間相互作用的特徵。

莫納什大學和皇家墨爾本理工大學的FLEET合作者開發了一個理論模型來解釋這些實驗信號。他們發現，長距離的排斥性相互作用是由相位空間填充效應介導的，而短距離的吸引性相互作用導致了合作結合的激子-激子-電子狀態的形成。

（圖片來源：Godel et al. ACS Appl. Nano Mater. 2020）

二硫化鎢（WS₂）來自半導體過渡金屬二氯化物（TMDCs）家族。當塊狀材料被剝落到單一原子單層（厚度小於1納米）時，這些二維材料的物理性質變得相對容易掌控。

許多有趣的物理學是由准粒子的產生和相互作用描述的。激發子就是這樣一種准粒子，它們主導著單層WS₂的光學回應。當電子從價帶（valence band）被激發到導帶（conduction band）時，就會形成激子。留下的空位（空穴）然後可以通過庫侖力（Coulomb forces）與受激電子結合，形成激子。

“當單層中存在多餘的電子時，這種情況變得更加複雜，”該論文的作者Jack Muir解釋說。“這些‘備用’電子可以坐在傳導帶中，不與光直接互動。然後激子可以與這些多餘的電子結合，形成三重子（trions）。”

但是如果增加摻雜的密度會發生什麼？每個激子不再只有一個電子，而是五個、十個、數百個......此時，激子可以被視為一個缺陷。激子和費米電子間的相互作用導致了新的准粒子 - 極子的形成。正如莫納什大學教授Meera Parish所指出：“在費米海中有缺陷是一個超越二維WS₂半導體的普遍問題。極化子的粒子在一系列系統中發揮著重要作用，包括冷原子氣體，甚至中子星的內殼。”

（圖片來源：Godel et al. ACS Appl. Nano Mater. 2020）

多維相干光譜學（MDCS）利用四個精確控制的超快雷射脈衝來揭示和量化相互作用。“大多數光譜技術，如光致發光，都無法將相互作用從單個粒子的反應中分離出來。MDCS經過優化，正好可以做到這一點，”通訊作者Jeffrey Davis教授解釋說。

改變不同脈衝的偏振顯示了一個有趣現象：只有當費米極子耦合到同一個費米海時，它們之間才有相互作用。這些相互作用的機制被確定為來自“相位空間填充”效應。當費米海中的電子作為極子的一部分與一個激子相互作用時，它就不能參與形成另一個極子。這導致了極子之間的排斥力，並解釋了在實驗中觀察到的選擇性互動。

極子間的吸引作用，導致雙極子的形成也被確認。這些雙極子的明顯大的結合能被認為是鎢基TMDCs所特有的，是WS₂中特定帶狀排列的結果。

參考文獻：Jack B. Muir et al, Interactions between Fermi polarons in monolayer WS₂《自然-通訊》（2022）. DOI: 10.1038/s41467-022-33811-x

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