半導體是下一代技術的基石，因此激發半導體材料中原子的新方法很可能也會激發廣大研究人員和工業界的興趣。科學家開發出一種新技術，利用超快太赫茲脈衝控制二維半導體中的原子運動，有望推動高速運算和電子設備開發。新研究將超快太赫茲頻率輻射應用於過渡金屬二鹵化物，產生了相干聲子。

橫濱國立大學的科學家和加州理工學院的同事利用高強度、寬頻帶的超快太赫茲脈衝，在一種二維半導體材料中實現了原子激發，推動了電子設備的發展。

他們的論文於3 月19 日發表在《應用物理通訊》（Applied Physics Letters）雜誌上，並作為編輯推薦文章。

二維（2D）材料或片狀奈米材料因其獨特的電子特性而成為未來半導體應用的理想平台。過渡金屬二摻雜物（TMDs）是二維材料中的重要類別，由夾在摻雜物原子層之間的過渡金屬原子層組成。這些原子以晶格結構排列，可以圍繞其平衡位置振動或振盪–這種集體激發被稱為相干聲子，在決定和控製材料特性方面起著至關重要的作用。

聲波誘導技術的創新

傳統上，相干聲子由可見光和近紅外線區域的超短脈衝雷射誘導。使用其他光源的方法仍然有限。

橫濱國立大學工程科學研究生院助理教授、該研究的第一作者Satoshi Kusaba 說：”我們的研究解決了超快太赫茲頻率雷射（或低能光子）如何在TMD 材料中誘導相干聲子這一基本問題。

WSe2 中聲子的超快寬頻太赫茲激發和偏振旋轉探測示意圖。所得的結果（右下）包括透過和頻過程激發的相干聲子振盪訊號（右上）。資料來源：Satoshi Kusaba / 橫濱國立大學

太赫茲輻射是指頻率在太赫茲範圍內的電磁波，介於微波和紅外線頻率之間。研究團隊製備了超快寬頻太赫茲脈衝，以誘導一種名為WSe2 的TMD 薄膜中的相干聲子動力學。為檢測光學各向異性（換句話說，即光在穿過材料時的表現），研究人員安排了一套精確而靈敏的裝置。研究人員研究了超短雷射脈衝與材料相互作用時電場方向的變化；這些變化稱為偏振旋轉。

透過仔細觀察微小的誘導光學各向異性，研究團隊成功地探測到了太赫茲脈衝誘導的聲子訊號。

“我們的研究最重要的發現是，太赫茲激發可以透過一個獨特的和頻激發過程在TMD中誘導相干聲子，”研究時的加州理工學院博士生、本研究的共同第一作者Haw-Wei Lin說。 “這種機制與共振和線性吸收過程有著本質區別，它涉及兩個太赫茲光子的能量總和與聲子模式的能量總和相匹配”。

由於透過這種和頻過程可以激發的聲子模式的對稱性完全不同於更典型的共振線性過程，因此本研究中成功使用的激發過程對於完全控製材料中的原子運動非常重要。這項研究成果的意義超越了基礎研究的範疇，可望在現實世界中廣泛應用。

“透過和頻激發過程，我們可以利用太赫茲激發相干地控制二維原子位置，”Kusaba說。 “這可能為控制TMD 的電子狀態打開大門，這對於開發谷電技術和使用TMD 的電子設備，實現低功耗、高速計算和專用光源，是大有可為的”。

編譯來源：ScitechDaily