Rensselaer的化學(xué)和生物工程助理教授Sufei Shi 在Nature Communications上發(fā)表的一篇論文，增加了我們對光與原子級薄半導(dǎo)體如何相互作用的理解，并創(chuàng)造出獨(dú)特的激子復(fù)合粒子，多個電子和強(qiáng)烈結(jié)合在一起的空穴。這些粒子具有新的量子自由度，稱為“谷旋轉(zhuǎn)”。“谷旋轉(zhuǎn)”類似于電子自旋，其已被廣泛用于諸如硬盤驅(qū)動器的信息存儲中，并且也是量子計算的有希望的候選者。

這篇題為“揭示BN封裝的WSe2中的雙激子和三價激子復(fù)合物”的論文發(fā)表在2018年9月13日的Nature Communications上。這項研究的結(jié)果可能導(dǎo)致電子和光電器件的新應(yīng)用，如太陽能收集，新型激光和量子傳感。

Shi的研究主要集中在低維量子材料及其量子效應(yīng)，特別關(guān)注具有強(qiáng)光物質(zhì)相互作用的材料。這些材料包括石墨烯，過渡金屬二硫化物(TMD)，例如二硒化鎢(WSe2)和拓?fù)浣^緣體。

TMD代表了一類具有優(yōu)異光學(xué)和光電特性的原子級薄半導(dǎo)體。二維單層TMD上的光學(xué)激發(fā)將產(chǎn)生稱為激子的強(qiáng)結(jié)合電子 - 空穴對，而不是像傳統(tǒng)的體半導(dǎo)體那樣自由地移動電子和空穴。這是由于單層TMD中的巨大結(jié)合能，這比傳統(tǒng)半導(dǎo)體的數(shù)量級大。結(jié)果，激子可以在室溫下存活，因此可以用于激子器件的應(yīng)用。

隨著激子密度的增加，更多的電子和空穴結(jié)合在一起，形成四粒子甚至五粒子的激子復(fù)合物。對多粒子激子復(fù)合物的理解不僅使人們對二維光物質(zhì)相互作用有了基本的了解，而且還導(dǎo)致了新的應(yīng)用，因為多粒子激子復(fù)合物保持了“谷旋轉(zhuǎn)”特性。激子。然而，盡管最近對TMD中激子和π反應(yīng)的理解有所發(fā)展，但施先生表示，對結(jié)合能量的能量的明確衡量仍然是難以捉摸的。

“現(xiàn)在，我們第一次發(fā)現(xiàn)了真正的biexciton狀態(tài)，一種獨(dú)特的四粒子復(fù)合物，對光有反應(yīng)，”施說。“我們還揭示了帶電biexciton的性質(zhì)，這是一種五粒子復(fù)合物。”

在Rensselaer，Shi的團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)出一種方法來構(gòu)建一個非常干凈的樣品，以揭示這種獨(dú)特的光物質(zhì)相互作用。該器件是通過將多個原子級薄材料堆疊在一起而構(gòu)建的，包括石墨烯，氮化硼(BN)和WSe2，通過范德華(vdW)相互作用，代表了二維材料的最先進(jìn)制造技術(shù)。

這項工作是與佛羅里達(dá)州塔拉哈西國家高磁場實驗室和日本國家材料科學(xué)研究所的研究人員以及物理系應(yīng)用物理系Kodosky Constellation教授張百柏合作完成的。倫斯勒的天文學(xué)和天文學(xué)，他的工作在發(fā)展對biexcon的理論理解中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

Shi說，這項研究的結(jié)果可能會導(dǎo)致強(qiáng)大的多粒子光學(xué)物理學(xué)，并說明基于二維半導(dǎo)體的新型應(yīng)用。施已獲得空軍科學(xué)研究辦公室的資助。張得到了能源部科學(xué)辦公室的支持。