藝術(shù)表現(xiàn)形式，顯示二硒化鎢（上圖）和二硫化鉬（下圖）的扭曲層。在使用光激發(fā)之后，層之間形成許多光學(xué)“暗”激子。這些“暗”激子是由庫侖相互作用（由場線連接的光球和暗球）結(jié)合的電子 – 空穴對，不能用可見光直接觀察到。最有趣的準(zhǔn)粒子之一是“摩爾層間激子”，如圖所示，其中空穴位于一層，電子位于另一層。本研究采用飛秒光發(fā)射動量顯微鏡和量子力學(xué)理論研究了飛秒時間尺度上這些激子的形成以及摩爾電位（由各層中的波谷表示）的影響。圖片來源：Brad Baxley， Part to Whole， LLC

由哥廷根大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組首次觀察到一種物理現(xiàn)象的積累，這種現(xiàn)象在2D材料中將陽光轉(zhuǎn)化為電能方面發(fā)揮作用。科學(xué)家們成功地使準(zhǔn)粒子（稱為暗摩爾層間激子）可見，并使用量子力學(xué)解釋它們的形成。研究人員展示了哥廷根新開發(fā)的一種實驗技術(shù)，飛秒光發(fā)射動量顯微鏡，如何在微觀層面上提供深刻的見解，這將與未來技術(shù)的發(fā)展相關(guān)。研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。

由二維半導(dǎo)體材料制成的原子薄結(jié)構(gòu)是電子，光電子和光伏未來組件的有希望的候選者。有趣的是，這些半導(dǎo)體的性能可以用一種不尋常的方式進行控制：像樂高積木一樣，原子薄層可以堆疊在一起。

然而，還有另一個重要的技巧：雖然樂高積木只能堆疊在上面 – 無論是直接堆疊還是以90度的角度扭曲 – 但半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)角度可以改變。正是這種旋轉(zhuǎn)角度對于新型太陽能電池的生產(chǎn)是有趣的。然而，盡管改變這個角度可以揭示新技術(shù)的突破，但它也帶來了實驗挑戰(zhàn)。

事實上，典型的實驗方法只能間接接觸到摩爾層間激子，因此，這些激子通常被稱為“暗”激子?！霸陲w秒光發(fā)射動量顯微鏡的幫助下，我們實際上設(shè)法使這些黑暗激子可見，”哥廷根大學(xué)物理學(xué)院初級研究組組長Marcel Reutzel博士解釋說。“這使我們能夠測量激子是如何在百萬分之一毫秒的時間尺度上形成的。我們可以使用馬爾堡Ermin Malic教授的研究小組開發(fā)的量子力學(xué)理論來描述這些激子形成的動力學(xué)。

“這些結(jié)果不僅使我們對暗摩爾層間激子的形成有了基本的了解，而且還開辟了一個全新的視角，使科學(xué)家能夠研究新的和迷人的材料的光電特性，”哥廷根大學(xué)物理系研究負責(zé)人Stefan Mathias教授說。“這個實驗是開創(chuàng)性的，因為我們第一次檢測到了印在激子上的摩爾電位的特征，即兩個扭曲的半導(dǎo)體層的組合性質(zhì)的影響。將來，我們將進一步研究這種特定效應(yīng)，以更多地了解所得材料的性能。

這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。

更多信息：David Schmitt等人，空間和時間中摩爾層間激子的形成，Nature（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-04977-7

期刊信息：《自然》