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物理所层状量子材料的电子相干性研究取得进展

2015-09-29 09:43
蓝林笑生
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  量子材料电子相干性的产生对于多体相互作用及关联调控有重要的意义。然而,这并非易事,许多先进精密的电学实验方法是非相干的,不能诱导和测量集体激发态。相干光与物质相互作用可以自然地将光场所固有的相干性传递给量子材料,可用于调控电子的相干性。这种相干性的传递是否能实现,取决于光与物质相互作用的形式,以及物质的电子结构。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)表面物理实验室副研究员赵继民与研究员孟胜合作通过空间自相位调制,在具有带隙的2D层状量子材料MoS2中诱导实现了交流的电子相干性。不加光场时,离散的MoS2片层悬浮于液体中,电子完全独立,相互之间无相位相干。用超快激光脉冲照射后,通过光与物质的空间自相位调制散射(图1A),非局域的电子波函数相位变得与超快激光脉冲一致,它们的相位被完全锁定。这种相干性是一种光诱导的电子集体行为。作者提出一个“风铃模型”来解释这种演生现象。他们通过对空间自相位调制衍射环形成所需的时间的测量,进一步证实了这种非局域电子相干性的存在(图1B & 1C)。

  他们研究了不同波长激发的,依赖于带隙的空间自相位调制(图2 & 3A),发现这种电子相干性的产生适用于普遍的二维层状量子材料,具有普适特性。他们的实验首次观察到低于带隙的空间自相位调制,证实了包括双光子空间自相位调制在内的物理机制(图3B & 3C)。

  他们通过实验证明,这种非局域交流电子相干性可以用来实现双色全光开关,且具有一些优异性能(图4)。特别是,控制光束能够调控信号光束的相位,用很小的强度改变可引起强光信号光束的衍射环在空间发生变化,实现了弱光控制强光的开关效应。这是人们首次实现基于空间自相位调制的全光开关效应,这些工作为二维层状量子材料在光子学中的应用提供了基础。

  此项工作得到了科技部重大基础研究(“973”)计划、国家自然科学基金和中国科学院对外合作重点项目的支持。该工作发表于近期的Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, (38) 11800-11805 (2015)。

  图1. 风铃模型和非局域ac电子相干性的光诱导演生

  图2. 通过变波长空间自相位调制实验直接测量χ(3)及其对带隙的依赖关系

  图3. χ(3)、吸收和阈值随带隙的变化,以及空间自相位调制的物理机制

  图4. 基于空间自相位调制的双色全光开关

 

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