實現(xiàn)用聲波控制固體的光學(xué)性質(zhì)：來自瑞士、德國和法國的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，由超短激光脈沖發(fā)射的大振幅聲波，可以動態(tài)操縱半導(dǎo)體的光學(xué)響應(yīng)。

材料科學(xué)研究的主要挑戰(zhàn)之一是：在室溫下實現(xiàn)半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)的高可調(diào)諧，這些性質(zhì)由“激子”控制，激子是半導(dǎo)體中負(fù)電子和正空穴的束縛對。激子在光電子學(xué)中變得越來越重要，過去幾年見證了對可調(diào)節(jié)激子特性控制參數(shù)（溫度、壓力、電場和磁場）的研究激增。

然而，只有在平衡條件下和低溫下才能實現(xiàn)適度大的變化，環(huán)境溫度的重大變化對應(yīng)用非常重要，但到目前為止還缺乏這種變化。這一點現(xiàn)在洛桑超快科學(xué)中心EPFL的Majed Chergui實驗室與Angel Rubio(Max-Planck Institute，漢堡)和Pascal Ruello(勒芒大學(xué))的理論小組合作實現(xiàn)。在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的國際研究小組，首次展示了利用聲波控制激子特性。為了做到這一點，科學(xué)家使用超短激光脈沖在材料中發(fā)射了一種高頻（數(shù)百吉赫茲）大振幅聲波。

該策略還能在高速下動態(tài)操縱激子屬性，這一顯著結(jié)果是在室溫下對二氧化鈦取得的，二氧化鈦是一種廉價而豐富的半導(dǎo)體，廣泛用于光伏、光催化和透明導(dǎo)電襯底等各種光能轉(zhuǎn)換技術(shù)中。研究發(fā)現(xiàn)和完整的描述，為該應(yīng)用提供了非常令人興奮的前景，例如廉價的聲光設(shè)備或外部機(jī)械應(yīng)變傳感器技術(shù)。使用高頻聲波，如由超短激光脈沖產(chǎn)生的聲波，作為激子的控制方案，為聲激子和有源激子開辟了一個新紀(jì)元，類似于利用金屬等離子體激發(fā)的有源等離子體激子。

主要作者Edoardo Baldini目前在麻省理工學(xué)院工作并表示：這些結(jié)果僅僅是通過在材料中發(fā)射高頻聲波可以探索的開始，希望在未來使用它們來控制控制磁性的基本相互作用，或觸發(fā)復(fù)雜固體中的新相變。利用含時微擾控制室溫半導(dǎo)體的激子光學(xué)性質(zhì)，是未來光電應(yīng)用的關(guān)鍵。光學(xué)斯塔克效應(yīng)在塊狀和低維材料中顯示出激子位移低于20 meV。

新展示了在廉價和豐富的半導(dǎo)體銳鈦礦型二氧化鈦(TiO2)單晶中，通過光致相干聲子對激子性質(zhì)的動態(tài)調(diào)諧。激子和光致應(yīng)變脈沖之間的巨大耦合，產(chǎn)生了30-50 meV的室溫激子移位，并對其振子強(qiáng)度進(jìn)行了顯著的調(diào)制。激子-聲子相互作用的高級ab initio處理充分解釋了這些結(jié)果，并表明形變勢耦合是產(chǎn)生和檢測聲學(xué)調(diào)制的基礎(chǔ)。

博科園｜研究/來自：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aax2937

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