WSe2与MoSe2复合材料有望实现量子光学效应

美国加利福尼亚大学河滨分校与台湾中央研究院应用科学研究中心研究者表示,二硒化钨(WSe2)与二硒化钼(MoSe2)组成的复合材料有望实现量子光学效应。

莫尔超晶格,是指将两种单层过渡金属硫族化合物(TMDCs)叠加起来,也可以在面内形成纳米尺度的半导体超晶格结构。其可以调控激子的能级,并且晶格周期可由转角连续调控,提供了在纳米尺度内调控实物粒子量子态的平台。

研究人员通过堆垛范德华材料构建莫尔超晶格,研究了多种新奇物象,包括莫特绝缘体、超导体、广义Wigner晶体等,这些特性往往与莫尔超晶格中的限域特性相关,决定于超晶格中的周期性势场。

当激子被莫尔超晶格限域时,会出现一类新的激子,有望实现人工激子晶体和量子光学效应。当这种莫尔激子与电荷载流子耦合时,可能会出现关联状态(Trion,三激子)。然而,当前对于这类电荷耦合莫尔激子态,没有实验证明,也没有理论预测它们的性质。

经过多年的努力研究,美国和台湾研究者在二硒化钨和二硒化钼的双层异质结中观测到了电势耦合的三激子行为。莫尔三激子表现出多个尖锐的发射线,具有复杂的电荷密度依赖特性,与传统的三激子的行为形成鲜明对比。三激子在不同器件和样品区域中特征的变化,表明了激子特性对样品的不均匀性高度敏感,其行为将推动对莫尔超晶格中高阶电子关联特性的进一步理论和实验研究。

WSe2与MoSe2复合材料有望实现量子光学效应图片

另外,厦门大学张龙副教授在WSe2和 MoSe2的双层异质结中也发现了振子强度足够大的莫尔激子态。通过异质结与光学微腔的精准集成,最终实现了莫尔激子与微腔光子的强耦合,观测到了新型混合玻色子量子态——“莫尔激子极化激元”。 通过变功率实验进一步观测到了这种特殊量子态的新奇物性:莫尔激子的能级、退相干、振子强度随粒子浓度的变化,与量子点二能级的特性完全相符,从而证明了莫尔激子极化激元来源于量子点阵列与微腔光子的协同相互作用。

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该工作为发展单光子开关和逻辑门、原子层低阈值激光器、固态量子模拟等提供了新的技术路径。

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