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瑞士物理学家发现超短激光脉冲发射的大振幅声波可以操纵半导体的光学响应
材料来源:博科园           录入时间:2019/12/3 22:29:46

12月2日消息,实现用声波控制固体的光学性质:来自瑞士、德国和法国的物理学家发现,由超短激光脉冲发射的大振幅声波,可以动态操纵半导体的光学响应。材料科学研究的主要挑战之一是:在室温下实现半导体光学性质的高可调谐,这些性质由“激子”控制,激子是半导体中负电子和正空穴的束缚对。激子在光电子学中变得越来越重要,过去几年见证了对可调节激子特性控制参数(温度、压力、电场和磁场)的研究激增。

然而,只有在平衡条件下和低温下才能实现适度大的变化,环境温度的重大变化对应用非常重要,但到目前为止还缺乏这种变化。这一点现在洛桑超快科学中心EPFL的Majed Chergui实验室与Angel Rubio(Max-Planck Institute,汉堡)和Pascal Ruello(勒芒大学)的理论小组合作实现。在发表在《科学进展》期刊上的国际研究小组,首次展示了利用声波控制激子特性。为了做到这一点,科学家使用超短激光脉冲在材料中发射了一种高频(数百吉赫兹)大振幅声波。

该策略还能在高速下动态操纵激子属性,这一显著结果是在室温下对二氧化钛取得的,二氧化钛是一种廉价而丰富的半导体,广泛用于光伏、光催化和透明导电衬底等各种光能转换技术中。研究发现和完整的描述,为该应用提供了非常令人兴奋的前景,例如廉价的声光设备或外部机械应变传感器技术。使用高频声波,如由超短激光脉冲产生的声波,作为激子的控制方案,为声激子和有源激子开辟了一个新纪元,类似于利用金属等离子体激发的有源等离子体激子。

主要作者Edoardo Baldini目前在麻省理工学院工作并表示:这些结果仅仅是通过在材料中发射高频声波可以探索的开始,希望在未来使用它们来控制控制磁性的基本相互作用,或触发复杂固体中的新相变。利用含时微扰控制室温半导体的激子光学性质,是未来光电应用的关键。光学斯塔克效应在块状和低维材料中显示出激子位移低于20 meV。

新展示了在廉价和丰富的半导体锐钛矿型二氧化钛(TiO2)单晶中,通过光致相干声子对激子性质的动态调谐。激子和光致应变脉冲之间的巨大耦合,产生了30-50 meV的室温激子移位,并对其振子强度进行了显着的调制。激子-声子相互作用的高级ab initio处理充分解释了这些结果,并表明形变势耦合是产生和检测声学调制的基础。


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