大連化物所觀測到膠體量子阱的弗洛凱態(tài)及其退相干過程

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所化學(xué)動力學(xué)研究室光電材料動力學(xué)研究組研究員吳凱豐、副研究員朱井義團(tuán)隊在低維材料超快光物理研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊在室溫下利用飛秒可見光脈沖驅(qū)動膠體量子阱，觀測到了近紅外波段的弗洛凱態(tài)光譜特征，并在時域上獲得了弗洛凱態(tài)通過退相干轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶馕镔|(zhì)態(tài)的動力學(xué)演化過程。

時變周期性外場驅(qū)動的電子態(tài)可以為固體材料帶來新的自由度，并且能夠極大地改變材料的光學(xué)、輸運、磁性、超導(dǎo)等性質(zhì)。這種調(diào)控機(jī)制被稱作“弗洛凱工程”，其起源于光場與物質(zhì)的相干耦合，而這種耦合會導(dǎo)致材料的平衡電子態(tài)在能量空間形成等間隔排列的伴線，即弗洛凱態(tài)。在固體材料中觀測弗洛凱態(tài)一直具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性，這種挑戰(zhàn)一方面來自于材料對強(qiáng)光場的穩(wěn)定性，另一方面則來自于時間分辨光電子能譜技術(shù)的復(fù)雜性。因此，在溫和條件下、利用純光學(xué)手段觀測弗洛凱態(tài)是研究人員長期追求的目標(biāo)。

在膠體量子阱中觀測到光場驅(qū)動產(chǎn)生的弗洛凱態(tài)

溶液相制備的膠體半導(dǎo)體納米晶（比如量子點）具有尺寸、形貌易調(diào)諧的豐富物理化學(xué)性質(zhì)，近年來成為研究光與物質(zhì)相互作用的重要平臺。吳凱豐團(tuán)隊長期致力于膠體量子點的超快光物理與光化學(xué)研究：率先實現(xiàn)了量子點自旋的室溫相干操控（Nat. Nanotechnol.，2023）；揭示了量子點激子精細(xì)結(jié)構(gòu)裂分的新機(jī)制（Nat. Mater.，2022）；基于量子點三線態(tài)傳能實現(xiàn)了近紅外上轉(zhuǎn)換與光合成（Nat. Photonics，2023）；綜述了量子點的相干效應(yīng)及量子信息應(yīng)用等（Nat. Mater.，2024；Nat. Nanotechnol.，2023）。在這些量子限域的材料中，巨大的態(tài)密度被壓縮到帶邊，從而帶來了銳利的光學(xué)響應(yīng)，特別適合通過相干驅(qū)動帶邊躍遷來產(chǎn)生弗洛凱態(tài)。這些弗洛凱態(tài)在自旋相干操控中已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，但是其直接光譜觀察尚未實現(xiàn)。

在本工作中，研究團(tuán)隊選擇了厚度精準(zhǔn)的二維CdSe納米片（即膠體量子阱）作為模型體系來觀測其在可見光驅(qū)動下所產(chǎn)生的弗洛凱態(tài)。在該體系中，由于電子運動在垂直于納米片平面方向上存在著限域，因此形成了一系列量子化的能級（子帶）。團(tuán)隊選擇重空穴能級（|hh1?）和最低的兩個電子能級（|e1?和|e2?）所構(gòu)成的級聯(lián)三能級系統(tǒng)，利用失諧光子（?ωL）驅(qū)動帶間躍遷（|hh1?→|e1?）來形成弗洛凱態(tài)（|hh1 + ?ωL?）。由于|hh1 + ?ωL?態(tài)和|e1?態(tài)之間存在著雜化和振子強(qiáng)度轉(zhuǎn)移，團(tuán)隊觀察到在|e1?→|e2?子帶間躍遷（A2）的藍(lán)端出現(xiàn)了新的吸收特征（A1）。這一吸收特征在能量上符合弗洛凱態(tài)到|e2?態(tài)的躍遷，并且僅出現(xiàn)在時間零點附近，進(jìn)一步說明了其起源于光與物質(zhì)的相干作用。團(tuán)隊還測量了一系列失諧量下的|hh1 + ?ωL?態(tài)到|e2?的吸收能量，發(fā)現(xiàn)其能夠與弗洛凱理論較好地吻合。此外，A1和A2兩個吸收特征在動力學(xué)上存在著此消彼長的關(guān)聯(lián)行為，說明光場驅(qū)動產(chǎn)生的弗洛凱態(tài)會歷經(jīng)退相干轉(zhuǎn)化為平衡電子態(tài)|e1??；诿芏染仃嚨哪M給出了該退相干過程的時間尺度在百飛秒量級。

該研究不僅在溫和的實驗條件下直接觀測到了膠體量子阱中弗洛凱態(tài)的光譜特征，還揭示了其豐富的動力學(xué)性質(zhì)，這些發(fā)現(xiàn)對實現(xiàn)化學(xué)材料體系的光學(xué)相干操控具有重要的啟示。

相關(guān)研究成果以“Observation of Floquet states and their dephasing in colloidal nanoplatelets driven by visible pulses”為題，于近日發(fā)表在《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上。上述工作得到了中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃、新基石科學(xué)基金會科學(xué)探索獎、大連化物所創(chuàng)新基金等項目的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-024-01505-z