艺术表现形式，显示二硒化钨（上图）和二硫化钼（下图）的扭曲层。在使用光激发之后，层之间形成许多光学“暗”激子。这些“暗”激子是由库仑相互作用（由场线连接的光球和暗球）结合的电子 – 空穴对，不能用可见光直接观察到。最有趣的准粒子之一是“摩尔层间激子”，如图所示，其中空穴位于一层，电子位于另一层。本研究采用飞秒光发射动量显微镜和量子力学理论研究了飞秒时间尺度上这些激子的形成以及摩尔电位（由各层中的波谷表示）的影响。图片来源：Brad Baxley， Part to Whole， LLC
由哥廷根大学领导的一个国际研究小组首次观察到一种物理现象的积累，这种现象在2D材料中将阳光转化为电能方面发挥作用。科学家们成功地使准粒子（称为暗摩尔层间激子）可见，并使用量子力学解释它们的形成。研究人员展示了哥廷根新开发的一种实验技术，飞秒光发射动量显微镜，如何在微观层面上提供深刻的见解，这将与未来技术的发展相关。研究结果发表在《自然》杂志上。
由二维半导体材料制成的原子薄结构是电子，光电子和光伏未来组件的有希望的候选者。有趣的是，这些半导体的性能可以用一种不寻常的方式进行控制：像乐高积木一样，原子薄层可以堆叠在一起。
然而，还有另一个重要的技巧：虽然乐高积木只能堆叠在上面 – 无论是直接堆叠还是以90度的角度扭曲 – 但半导体结构中的旋转角度可以改变。正是这种旋转角度对于新型太阳能电池的生产是有趣的。然而，尽管改变这个角度可以揭示新技术的突破，但它也带来了实验挑战。
事实上，典型的实验方法只能间接接触到摩尔层间激子，因此，这些激子通常被称为“暗”激子。“在飞秒光发射动量显微镜的帮助下，我们实际上设法使这些黑暗激子可见，”哥廷根大学物理学院初级研究组组长Marcel Reutzel博士解释说。“这使我们能够测量激子是如何在百万分之一毫秒的时间尺度上形成的。我们可以使用马尔堡Ermin Malic教授的研究小组开发的量子力学理论来描述这些激子形成的动力学。
“这些结果不仅使我们对暗摩尔层间激子的形成有了基本的了解，而且还开辟了一个全新的视角，使科学家能够研究新的和迷人的材料的光电特性，”哥廷根大学物理系研究负责人Stefan Mathias教授说。“这个实验是开创性的，因为我们第一次检测到了印在激子上的摩尔电位的特征，即两个扭曲的半导体层的组合性质的影响。将来，我们将进一步研究这种特定效应，以更多地了解所得材料的性能。
这项研究发表在《自然》杂志上。
更多信息：David Schmitt等人，空间和时间中摩尔层间激子的形成，Nature（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-04977-7
期刊信息：《自然》
