通訊作者：陳海龍，中國科學(xué)院物理研究所；翁羽翔，中國科學(xué)院物理研究所

作者：鄒家定，朱銳丹，王嘉鈺，孟翰廷，王 專，陳海龍，翁羽翔

由于強(qiáng)庫倫相互作用的存在，二維過渡金屬硫化物（TMDC）的光學(xué)和電學(xué)特性在很大程度上由其中的激子（exciton）、帶電激子（trion）等多體復(fù)合物的性質(zhì)所決定。深入理解二維TMDC材料中多體相互作用機(jī)制將極大有利于發(fā)掘這些原子層厚度材料的潛在應(yīng)用價值。本研究采用高時間分辨的飛秒二維電子光譜（2DES）和寬帶泵浦探測（BBTA）技術(shù)，觀測到單層WSe₂中存在很強(qiáng)的電子-激子多體相互作用，并揭示相干光學(xué)聲子顯著地調(diào)節(jié)了電子-激子的耦合效應(yīng)。實驗結(jié)果表明電子（激子）-聲子耦合產(chǎn)生的相干振蕩信號可以持續(xù)幾個皮秒。這一發(fā)現(xiàn)可進(jìn)一步加深人們對TMDC材料中光誘導(dǎo)多體復(fù)合物形成機(jī)制的理解。

極大減弱的介電屏蔽效應(yīng)和顯著增強(qiáng)的庫倫相互作用，使得原子層厚度的二維TMDC半導(dǎo)體材料中存在多種多樣的多體復(fù)合物。揭示與電子、空穴、激子等準(zhǔn)粒子相互作用相關(guān)的多體物理過程，已成為二維TMDC材料研究的前沿方向。光激發(fā)后，各類激子及其多體復(fù)合物可以共存，并且在聲子的參與下相互轉(zhuǎn)化。雖然聲子對于TMDC材料中的多體相互作用具有至關(guān)重要的影響，然而關(guān)于聲子調(diào)節(jié)多體過程的實驗報導(dǎo)依然很少，光學(xué)聲子在這些過程中的作用并沒有得到很好的探討。飛秒2DES是一種基于四波混頻和時域傅里葉變換的超快非線性光譜技術(shù)。由于具備同時分辨激發(fā)光子和發(fā)射光子能量的優(yōu)勢，2DES成為了研究半導(dǎo)體系統(tǒng)中相干耦合和多體效應(yīng)的有力工具。近年來，2DES展示了在研究TMDC材料中復(fù)雜多體相互作用動力學(xué)的潛在能力。

研究團(tuán)隊利用基于~10 fs超短脈沖的2DES和BBTA技術(shù)，觀測單層WSe₂材料在光激發(fā)后的超快動力學(xué)過程以及相干耦合現(xiàn)象，取得如下實驗發(fā)現(xiàn)：

（1）通過導(dǎo)帶帶邊激發(fā)，在單層WSe₂樣品中觀察到強(qiáng)電子-激子耦合信號；

（2）證明相干光學(xué)聲子顯著調(diào)節(jié)了電子-激子多體相互作用，電子（激子）-聲子耦合信號以相干振蕩的形式持續(xù)~4.5 ps；

（3）相干聲子調(diào)節(jié)的多體信號具有明顯的功率依賴特性，高激發(fā)能量密度下可以觀察到~1.5 ps的動力學(xué)穩(wěn)定過程。

本工作采用高時間分辨的飛秒2DES和BBTA技術(shù)研究了單層WSe₂樣品內(nèi)光生激子和自由載流子之間的多體相互作用。其中，2DES實驗利用多個飛秒脈沖依次作用樣品，產(chǎn)生三階極化信號，并以外差測量的方式將其收集（圖1a）。由此可在~10 fs高時間分辨下，同時實現(xiàn)激發(fā)光子與發(fā)射光子的高能量分辨。實驗選取的寬譜激發(fā)光源覆蓋了單層WSe₂的B激子吸收峰和導(dǎo)帶帶邊區(qū)域（圖1b），同時遠(yuǎn)離其A激子吸收峰。由于是帶邊激發(fā)，光誘導(dǎo)的載流子和激子相互作用信號可以因此有效產(chǎn)生。2DES光譜表明在~2.30 eV對角峰位置處出現(xiàn)了反常的光誘導(dǎo)吸收信號峰X（圖1c）。由于2DES的激發(fā)頻率分辨優(yōu)勢，可以排除這一信號來源于B激子的帶隙重整化以及激子結(jié)合能下降等常見的物理效應(yīng)。

圖 1 . (a) 二維電子光譜2DES技術(shù)原理示意圖；(b) 單層WSe₂樣品的吸收光譜以及飛秒超快實驗中所使用寬譜光源的光譜；(c) 光激發(fā)后不同時刻的2DES光譜。

BBTA光譜測量表明信號峰X被相干光學(xué)聲子明顯調(diào)制（圖2a），且信號峰X和B激子信號具有明顯不同的動力學(xué)演化（圖2b）。由2DES光譜中提取的相干光學(xué)聲子振蕩信號的二維頻譜分布也明確證實了信號峰X出現(xiàn)的位置與被相干光學(xué)聲子調(diào)制的區(qū)域高度地重合（圖2c）。信號X的殘差動力學(xué)表明相干光學(xué)聲子對這一光誘導(dǎo)吸收信號的調(diào)制時間可以持續(xù)4.3 ps。這一相干壽命與光學(xué)聲子對A激子的相干調(diào)制壽命基本一致，預(yù)示了A激子可能參與了信號峰X的形成。此外，功率依賴的BBTA實驗（圖2d）表明信號峰X具有明顯的功率依賴特性。隨著激發(fā)能量的增加，相干振蕩信號的幅值基本線性增長，而振蕩壽命沒有明顯的變化。在高激發(fā)能量下，可以觀察到~1.5 ps的動力學(xué)增長過程。

圖 2 . (a) 單層WSe₂的寬帶泵浦探測(BBTA)實驗結(jié)果；(b) B激子和信號峰X的動力學(xué)曲線，以及信號峰X的殘差振蕩。插圖表明振蕩頻率與單層WSe₂的光學(xué)聲子模頻率一致；(c) 相干光學(xué)聲子振蕩信號的二維頻譜分布；(d) 信號峰X的功率依賴動力學(xué)。

基于上述結(jié)果，研究團(tuán)隊提出了由相干聲子調(diào)制的電子-激子耦合模型（圖3a和圖3b）。首先，帶邊泵浦激發(fā)產(chǎn)生了大量自由載流子，這些自由載流子在飛秒至皮秒的時間尺度逐漸冷卻形成束縛的激子。在寬帶超短脈沖相干激發(fā)條件下，泵浦脈沖可以在連續(xù)的帶邊制備電子相干態(tài)，相干波動的能量差等于光學(xué)聲子能量。隨著自由電子和空穴逐漸形成束縛激子，這樣一種周期性的相干調(diào)制轉(zhuǎn)移至A激子，最終表現(xiàn)為相干光學(xué)聲子對A激子動力學(xué)信號皮秒時間尺度的周期性調(diào)制。而此時，當(dāng)探測脈沖的能量同樣接近WSe₂的帶邊電子吸收時，便產(chǎn)生了由相干光學(xué)聲子調(diào)制的電子-激子耦合信號，即所觀察到的信號峰X。

圖 3. (a)單層WSe₂樣品在帶邊激發(fā)后，由相干聲子調(diào)制的電子-激子相互作用示意圖；(b) 相干光學(xué)聲子參與的電子-激子耦合能級示意圖；(c) 雙邊費(fèi)曼圖描述動力學(xué)上相干振蕩的耦合信號。

使用雙邊費(fèi)曼圖（圖3c），可以清楚描述相干光學(xué)聲子參與信號峰X的產(chǎn)生過程中所涉及的具體能級躍遷過程。根據(jù)模型預(yù)測，rephasing和nonrephasing信號分別以負(fù)頻和正頻的形式在動力學(xué)上出現(xiàn)周期性的振蕩，并且rephasing（nonrephasing）振蕩信號在二維光譜中沿對角線上移（下移）一個光學(xué)聲子能量大小。Rephasing和nonrephasing二維拍頻圖的實驗結(jié)果（圖4）和模型預(yù)測基本一致，證實了相干聲子調(diào)制的電子-激子耦合模型的合理性。

圖 4 . Rephasing和nonrephasing過程相干光學(xué)聲子振蕩信號的二維頻譜分布。

該工作揭示了單層TMDC材料中具有強(qiáng)的電子-激子相互作用，相干光學(xué)聲子參與并顯著調(diào)制了這一多體過程。此結(jié)果表明了相干聲子能夠強(qiáng)烈調(diào)節(jié)激子的光物理屬性，并提出了通過光學(xué)激發(fā)和電學(xué)調(diào)節(jié)來操縱激子的可行性。由此可進(jìn)一步拓寬TMDC材料中多體相互作用研究的視野，并可啟發(fā)基于TMDC材料的納米光電器件或量子設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用。