研究人員利用二硫化鎢尋找低能量電子

研究人員利用實態和虛態之間的相互作用來“切換”一種原子厚度（二維）材料 - 二硫化鎢（WS₂）的電子狀態，這有助於尋找基於奇異拓撲材料的未來低能量電子。超短的光脈衝，低至十億分之三千四百萬分之一秒，能引起與連續照明相同的反應。

事實證明，超短脈衝光在控制原子厚度的二硫化鎢的電子狀態方面與連續照明沒有區別。一項由澳大利亞斯威本大學（Swinburne University of Technology）領導的新研究證明，超短光脈衝可以用來驅動物質新相的轉變，這有助於尋找未來基於Floquet的低能量電子產品。人們對通過使用超短光脈衝暫態控制單層半導體的帶狀結構以創造和控制奇異的新物質相有很大興趣。

由此產生的臨時狀態被稱為Floquet-Bloch狀態，從研究的角度來看，對於擬議中的基於Floquet拓撲絕緣體（FTI）的新型電晶體來說，也很有意思。一個重要的發現是，檢測Floquet狀態形成所需的超短光脈衝被證明在觸發該狀態方面與連續照明一樣有效，這是一個重要的問題，直到現在，這個問題在很大程度上被忽略了。

Floquet物理學被用來預測絕緣體如何轉化為FTI，其前提是一個純粹的正弦波場，即連續的、單色的（單波長）照明。

然而，為了觀察這種相變，只有超短脈衝才能提供足夠的峰值強度以產生可檢測的效果。這就是問題所在。即使是最純淨的光源的開啟或關閉也會給光的光譜帶來廣泛的額外頻率；開關越突然，光譜越寬泛。因此，像這裡使用的超短脈衝並不符合Floquet物理學所基於的假設。

斯威本科技大學的Stuart Earl博士說：“超短脈衝是你可能得到的最遠的單色波，然而，我們現在已經表明，即使是短於15個光週期（34飛秒，或34百萬分之一秒）的脈衝，這也不重要。”

厄爾博士與來自澳大利亞國立大學和ARC未來低能耗電子技術中心（FLEET）的合作者一起，將二硫化鎢的原子單層置於不同長度但總能量相同的光脈衝中，以可控方式改變峰值強度。

WS₂是一種過渡金屬二鈣化物（TMD），這是一個被研究用於未來“超越CMOS電子產品的材料系列”。該研究小組使用泵探針光譜學觀察到由於光學斯塔克效應導致的WS₂的激子能量的暫態轉移。由於他們使用了亞帶隙泵浦脈衝，他們測量的信號只持續了脈衝本身的時間，是由於樣品內平衡狀態和光子壓制的虛擬狀態之間的相互作用。

斯威本科技大學的傑夫-大衛斯（Jeff Davis）教授解釋說：“WS2的反應是即時的，但更重要的是，它的反應線性地取決於脈衝的暫態強度，就像我們無限緩慢地打開一個單色場，這對我們的團隊來說是一個令人興奮的發現。儘管脈衝非常短，但系統的狀態仍然是一致的”。

絕熱擾動是一種極其緩慢地引入的擾動，這樣系統的狀態就有時間適應，這是FTIs的一個關鍵要求。雖然超短脈衝不應符合這一要求，但這一結果提供了明確的證據，表明對於這些原子單層來說，它們符合這一要求。這現在使研究小組能夠將任何非絕熱行為的證據歸於樣品，而不是歸於他們的實驗。

這些發現現在使FLEET團隊能夠用一個高於帶隙的脈衝來探索這些材料中的Floquet-Bloch狀態，從理論上講，這應該會推動材料進入被稱為Floquet拓撲絕緣體的奇異階段。瞭解這一過程應有助於研究人員將二硫化鎢材料支撐的這些材料納入新一代的低能量電子、高頻寬和潛在的超高速電晶體。

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