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(dòng)力學(xué)研究室光電材料動(dòng)力學(xué)研究組研究員吳凱豐、副研究員朱井義團(tuán)隊(duì)在低維材料超快光物理研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)在室溫下利用飛秒可見光脈沖驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)力學(xué)演化過程。

時(shí)變周期性外場驅(qū)動(dòng)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(yùn)、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(huì)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(shí)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(dòng)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(diǎn)）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(duì)長期致力于膠體量子點(diǎn)的超快光物理與光化學(xué)研究：率先實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)自旋的室溫相干操控（Nat. Nanotechnol.，2023）；揭示了量子點(diǎn)激子精細(xì)結(jié)構(gòu)裂分的新機(jī)制（Nat. Mater.，2022）；基于量子點(diǎn)三線態(tài)傳能實(shí)現(xiàn)了近紅外上轉(zhuǎn)換與光合成（Nat. Photonics，2023）；綜述了量子點(diǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)。

在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)下所產(chǎn)生的弗洛凱態(tài)。在該體系中，由于電子運(yùn)動(dòng)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(duì)選擇重空穴能級（|hh1?）和最低的兩個(gè)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(dòng)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(duì)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(shí)間零點(diǎn)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(duì)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(gè)吸收特征在動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生的弗洛凱態(tài)會(huì)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(shí)間尺度在百飛秒量級。

該研究不僅在溫和的實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)性質(zhì)，這些發(fā)現(xiàn)對實(shí)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(duì)計(jì)劃、新基石科學(xué)基金會(huì)科學(xué)探索獎(jiǎng)、大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。

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