通訊作者：陳海龍，中國科學院物理研究所；翁羽翔，中國科學院物理研究所

作者：鄒家定，朱銳丹，王嘉鈺，孟翰廷，王 專，陳海龍，翁羽翔

由于強庫倫相互作用的存在，二維過渡金屬硫化物（TMDC）的光學和電學特性在很大程度上由其中的激子（exciton）、帶電激子（trion）等多體復合物的性質所決定。深入理解二維TMDC材料中多體相互作用機制將極大有利于發掘這些原子層厚度材料的潛在應用價值。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，觀測到單層WSe₂中存在很強的電子-激子多體相互作用，并揭示相干光學聲子顯著地調節了電子-激子的耦合效應。實驗結果表明電子（激子）-聲子耦合產生的相干振蕩信號可以持續幾個皮秒。這一發現可進一步加深人們對TMDC材料中光誘導多體復合物形成機制的理解。

極大減弱的介電屏蔽效應和顯著增強的庫倫相互作用，使得原子層厚度的二維TMDC半導體材料中存在多種多樣的多體復合物。揭示與電子、空穴、激子等準粒子相互作用相關的多體物理過程，已成為二維TMDC材料研究的前沿方向。光激發后，各類激子及其多體復合物可以共存，并且在聲子的參與下相互轉化。雖然聲子對于TMDC材料中的多體相互作用具有至關重要的影響，然而關于聲子調節多體過程的實驗報導依然很少，光學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。由于具備同時分辨激發光子和發射光子能量的優勢，2DES成為了研究半導體系統中相干耦合和多體效應的有力工具。近年來，2DES展示了在研究TMDC材料中復雜多體相互作用動力學的潛在能力。

研究團隊利用基于~10 fs超短脈沖的2DES和BBTA技術，觀測單層WSe₂材料在光激發后的超快動力學過程以及相干耦合現象，取得如下實驗發現：

（1）通過導帶帶邊激發，在單層WSe₂樣品中觀察到強電子-激子耦合信號；

（2）證明相干光學聲子顯著調節了電子-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~4.5 ps；

（3）相干聲子調節的多體信號具有明顯的功率依賴特性，高激發能量密度下可以觀察到~1.5 ps的動力學穩定過程。

本工作采用高時間分辨的飛秒2DES和BBTA技術研究了單層WSe₂樣品內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，同時實現激發光子與發射光子的高能量分辨。實驗選取的寬譜激發光源覆蓋了單層WSe₂的B激子吸收峰和導帶帶邊區域（圖1b），同時遠離其A激子吸收峰。由于是帶邊激發，光誘導的載流子和激子相互作用信號可以因此有效產生。2DES光譜表明在~2.30 eV對角峰位置處出現了反常的光誘導吸收信號峰X（圖1c）。由于2DES的激發頻率分辨優勢，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合能下降等常見的物理效應。

圖 1 . (a) 二維電子光譜2DES技術原理示意圖；(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被相干光學聲子明顯調制（圖2a），且信號峰X和B激子信號具有明顯不同的動力學演化（圖2b）。由2DES光譜中提取的相干光學聲子振蕩信號的二維頻譜分布也明確證實了信號峰X出現的位置與被相干光學聲子調制的區域高度地重合（圖2c）。信號X的殘差動力學表明相干光學聲子對這一光誘導吸收信號的調制時間可以持續4.3 ps。這一相干壽命與光學聲子對A激子的相干調制壽命基本一致，預示了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。在高激發能量下，可以觀察到~1.5 ps的動力學增長過程。

圖 2 . (a) 單層WSe₂的寬帶泵浦探測(BBTA)實驗結果；(b) B激子和信號峰X的動力學曲線，以及信號峰X的殘差振蕩。插圖表明振蕩頻率與單層WSe₂的光學聲子模頻率一致；(c) 相干光學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。

基于上述結果，研究團隊提出了由相干聲子調制的電子-激子耦合模型（圖3a和圖3b）。首先，帶邊泵浦激發產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條件下，泵浦脈沖可以在連續的帶邊制備電子相干態，相干波動的能量差等于光學聲子能量。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制轉移至A激子，最終表現為相干光學聲子對A激子動力學信號皮秒時間尺度的周期性調制。而此時，當探測脈沖的能量同樣接近WSe₂的帶邊電子吸收時，便產生了由相干光學聲子調制的電子-激子耦合信號，即所觀察到的信號峰X。

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

使用雙邊費曼圖（圖3c），可以清楚描述相干光學聲子參與信號峰X的產生過程中所涉及的具體能級躍遷過程。根據模型預測，rephasing和nonrephasing信號分別以負頻和正頻的形式在動力學上出現周期性的振蕩，并且rephasing（nonrephasing）振蕩信號在二維光譜中沿對角線上移（下移）一個光學聲子能量大小。Rephasing和nonrephasing二維拍頻圖的實驗結果（圖4）和模型預測基本一致，證實了相干聲子調制的電子-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材料中具有強的電子-激子相互作用，相干光學聲子參與并顯著調制了這一多體過程。此結果表明了相干聲子能夠強烈調節激子的光物理屬性，并提出了通過光學激發和電學調節來操縱激子的可行性。由此可進一步拓寬TMDC材料中多體相互作用研究的視野，并可啟發基于TMDC材料的納米光電器件或量子設備的設計和應用。