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(kù)侖相互作用（由場(chǎng)線連接的光球和暗球）結(jié)合的電子 – 空穴對(duì)，不能用可見(jiàn)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(dòng)量顯微鏡和量子力學(xué)理論研究了飛秒時(shí)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(lái)源：Brad Baxley， Part to Whole， LLC

由哥廷根大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)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(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能方面發(fā)揮作用?？茖W(xué)家們成功地使準(zhǔn)粒子（稱為暗摩爾層間激子）可見(jiàn)，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(kāi)發(fā)的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，飛秒光發(fā)射動(dòng)量顯微鏡，如何在微觀層面上提供深刻的見(jiàn)解，這將與未來(lái)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(lái)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(jìn)行控制：像樂(lè)高積木一樣，原子薄層可以堆疊在一起。

然而，還有另一個(gè)重要的技巧：雖然樂(lè)高積木只能堆疊在上面 – 無(wú)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(duì)于新型太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)是有趣的。然而，盡管改變這個(gè)角度可以揭示新技術(shù)的突破，但它也帶來(lái)了實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。

事實(shí)上，典型的實(shí)驗(yàn)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。“在飛秒光發(fā)射動(dòng)量顯微鏡的幫助下，我們實(shí)際上設(shè)法使這些黑暗激子可見(jiàn)，”哥廷根大學(xué)物理學(xué)院初級(jí)研究組組長(zhǎng)Marcel Reutzel博士解釋說(shuō)?！斑@使我們能夠測(cè)量激子是如何在百萬(wàn)分之一毫秒的時(shí)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(kāi)發(fā)的量子力學(xué)理論來(lái)描述這些激子形成的動(dòng)力學(xué)。

“這些結(jié)果不僅使我們對(duì)暗摩爾層間激子的形成有了基本的了解，而且還開(kāi)辟了一個(gè)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(fù)責(zé)人Stefan Mathias教授說(shuō)?！斑@個(gè)實(shí)驗(yàn)是開(kāi)創(chuàng)性的，因?yàn)槲覀兊谝淮螜z測(cè)到了印在激子上的摩爾電位的特征，即兩個(gè)扭曲的半導(dǎo)體層的組合性質(zhì)的影響。將來(lái)，我們將進(jìn)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(xiàng)研究發(fā)表在《自然》雜志上。

更多信息：David Schmitt等人，空間和時(shí)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》