研究找到了解决长期存在的超快山谷退相干问题的方法
发布时间：2023-07-20 08:00:00 阅读数： 73
a, 上行 - hBN-MoS₂-hBN (HMH) 叠层示意图。下行（左）- HMH 叠层的线性偏振分辨光致发光 (PL) 光谱，显示 A1s 激子峰的线性偏振度 (DOLP) 约为 37%。下行（右）--激子伪自旋的布洛赫球示意图。产生时，伪自旋位于赤道上，并指向由激发光的偏振轴决定的方向。伪自旋的方向以随机的方式变化，导致谷相干性的损失，正如聚光测量中较低的 DOLP 值所表明的那样。 b, 上行--石墨烯-MoS₂-石墨烯（GMG）堆栈示意图。下行（左）- GMG 堆栈的线性偏振分辨聚光光谱，显示 A1s 激子峰的 DOLP 值约为 100%。底行（右）- 由于在稳态聚光中收集到的所有激子都保持完全相干，因此生成后的伪自旋方向不会受到干扰，这一点可以从聚光测量中观察到的 100% 激子 DOLP 反映出来。作者：Garima Gupta、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi 和 Kausik Majumdar
自 2013 年发现线性偏振光可以在单层过渡金属二掺杂化合物（TMDC）半导体中产生 K-K' 谷相干激子以来，利用这些激子态进行相干操纵和量子位操作一直是研究人员的长期目标。
遗憾的是，令许多人失望的是，人们很快发现，这种谷相干性会在 100 fs 的时间尺度内迅速衰减，因此，任何这种相干操作几乎都是不可能的。此外，激子的辐射寿命约为其辐射寿命的 10 倍，在其辐射重组之前会经历强烈的谷相干，因此谷相干的光学读数也具有挑战性。造成这种超快山谷退相干的主要原因是散射和山谷间交换相互作用的综合效应。
在发表于《光： 科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇新论文中，由印度班加罗尔印度科学研究所电气通信工程系量子电子实验室的 Kausik Majumdar 教授领导的科学家团队及其合作者通过在 MoS2 的顶层和底层封装石墨烯，找到了这一长期存在问题的解决方案。
这种结构在稳态光致发光 (PL) 测量中提供了约 100% 的线性极化度 (DOLP)--这是山谷相干时间大于激子寿命（在这些样品中估计约为 2-3 ps）的直接证据。这也表明，他们获得的谷相干时间比之前的报告至少长 10 倍。
作者巧妙地设计了四种不同的层堆叠实验，并在贝特-萨尔佩特方程和迈阿勒-席尔瓦-沙姆（MSS）方程解决方案的支持下进行了后续数据分析，从而提出了一种改善谷相干性的系统方法：
增强介质屏蔽有助于减少交换相互作用，从而提高山谷相干性。
然而，增强屏蔽的一个缺点是寿命延长，这就允许更多的随机相位累积，从而降低了山谷相干性。
将增强型筛选与快速过滤机制（例如，通过激子转移到石墨烯）相结合，可以过滤掉长寿命激子，从而解决上述第 2 点所述的问题，提供 ~100% 的 DOLP。
"他们补充说："有趣的是，在同一个 GMG 堆栈中，电荷快速转移到石墨烯的额外优势是，激子峰非常干净，线宽很窄，没有来自三离子和其他激子复合物的杂散峰。
科学家们总结说："通过在单层半导体中实现长于生命周期的激子谷相干时间来实现这种完美谷相干的光学读出，可以在新的实验以及量子信息处理等可能的应用中产生深远的影响。
参考资料
Garima Gupta et al, Observation of ~100% valley-coherent excitons in monolayer MoS2 through giant enhancement of valley coherence time, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01220-4
