研究人员首次测量WS2半导体中费米极子间的相互作用

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。

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。

（图片来源：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。”

（图片来源：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

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