清華新聞網(wǎng)9月19日電 對(duì)固體材料電子結(jié)構(gòu)和物理特性的超快調(diào)控是當(dāng)代凝聚態(tài)物理學(xué)和非平衡態(tài)物理學(xué)的重要課題之一，相關(guān)研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。弗洛凱能帶調(diào)控是指利用時(shí)間周期性的光場(chǎng)與固體材料的電子態(tài)耦合實(shí)現(xiàn)對(duì)量子材料的瞬時(shí)電子結(jié)構(gòu)調(diào)控。近年來(lái)，隨著超快物理學(xué)的迅速發(fā)展，弗洛凱能帶調(diào)控研究吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。最近，清華大學(xué)物理系周樹云教授課題組利用光子能量低至160meV的中紅外飛秒激光，首次在層狀半導(dǎo)體黑磷中實(shí)現(xiàn)了非共振弗洛凱瞬時(shí)能帶調(diào)控；結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和北京航空航天大學(xué)湯沛哲教授研究組、清華大學(xué)物理系段文暉院士研究組的第一性原理計(jì)算和有效模型分析，揭示了黑磷中弗洛凱能帶調(diào)控在共振和非共振條件下迥異的能帶重整化行為。
圖1.半導(dǎo)體弗洛凱能帶調(diào)控的能帶結(jié)構(gòu)示意圖
具有時(shí)間周期性的光場(chǎng)與布洛赫電子相互作用可以形成弗洛凱態(tài)，并產(chǎn)生具有能量周期性的弗洛凱能帶。這種相互作用會(huì)誘導(dǎo)出平衡態(tài)不具備的特性，甚至有可能導(dǎo)致瞬時(shí)拓?fù)湮飸B(tài)的實(shí)現(xiàn)。周樹云研究團(tuán)隊(duì)通過多年實(shí)驗(yàn)積累，攻克中紅外泵浦時(shí)間分辨角分辨光電子能譜（TrARPES）的技術(shù)難點(diǎn)，首次在半導(dǎo)體材料黑磷中實(shí)現(xiàn)弗洛凱能帶調(diào)控，觀測(cè)到與帶隙共振泵浦條件下的瞬態(tài)能隙打開，為半導(dǎo)體弗洛凱調(diào)控研究奠定基礎(chǔ)。
在前期工作的基礎(chǔ)上，為了將弗洛凱能帶調(diào)控應(yīng)用到更多材料體系中，實(shí)現(xiàn)更豐富的非平衡物態(tài)，需要進(jìn)一步探索其在不同泵浦光子能量下的能帶重整化效應(yīng)。根據(jù)弗洛凱理論，降低泵浦光子能量有望增強(qiáng)弗洛凱相互作用強(qiáng)度，減少由直接光學(xué)躍遷引起的耗散，從而誘導(dǎo)更強(qiáng)的能帶重整化效應(yīng)（圖1）。最近，周樹云課題組通過將泵浦光子能量進(jìn)一步降低到160meV（遠(yuǎn)小于黑磷帶隙），成功在黑磷中觀測(cè)到了由弗洛凱能帶調(diào)控產(chǎn)生的對(duì)價(jià)帶頂?shù)哪軒е卣?yīng)。
圖2.黑磷弗洛凱能帶調(diào)控隨泵浦光子能量的演化
通過系統(tǒng)性地改變泵浦光子能量（從遠(yuǎn)小于帶隙到遠(yuǎn)大于帶隙的范圍內(nèi)），周樹云課題組發(fā)現(xiàn)弗洛凱能帶重整化在近共振區(qū)域和低能非共振區(qū)域具有最顯著的效應(yīng)。結(jié)合第一性原理計(jì)算和弗洛凱理論，合作者發(fā)現(xiàn)在低能非共振區(qū)價(jià)帶頂?shù)闹卣?yīng)會(huì)隨著光子能量減小而大大增強(qiáng)。該工作為弗洛凱能帶調(diào)控的研究提供了更加全面的物理圖像，不僅揭示了黑磷中弗洛凱能帶調(diào)控在不同光子能量下的產(chǎn)生機(jī)理，并且表明通過遠(yuǎn)低于材料能隙的低能泵浦也能夠?qū)崿F(xiàn)弗洛凱能帶調(diào)控，為在更多材料體系中實(shí)現(xiàn)弗洛凱能帶調(diào)控提供了全新的思路。
該研究以“黑磷中低于帶隙激發(fā)的弗洛凱調(diào)控”（Floquet engineering of black phosphorus upon below-gap pumping）為題于9月13日在線發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上，并被選為編輯推薦文章。
清華大學(xué)物理系周樹云教授和北京航空航天大學(xué)湯沛哲教授為論文的共同通訊作者。清華大學(xué)物理系2017級(jí)博士生周紹華、“水木學(xué)者”博士后鮑昌華和2019級(jí)博士生范本澍為論文的共同第一作者。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部相關(guān)基金等的支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.116401
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
