編輯總結
半導體中的激子是由電子-空穴對形成的電中性準粒子。電氣控制要求電子和空穴分離以形成偶極子。這種分離降低了光學活性，從而使激子呈現光學暗態。本研究利用90°扭轉的黑磷層展示了一種新的激子類型，該激子具有永久偶極子。由于層混合的導帶和層極化的價帶，這些具有凈偶極矩的層間激子是光學明亮的。這一發現以及通過幾何形狀調節這種激子的特性，將為光電應用提供一個有用的平臺。—Ian S. Osborne
研究背景
明亮的偶極激子具有電偶極子并且具有高的振蕩強度，是研究相關量子現象的理想平臺。它們通常依賴于在兩個量子阱或兩個層之間的載流子隧穿，以與非偶極激子混合，從而獲得振蕩強度。在本研究中，復旦大學晏湖根團隊通過堆疊90°扭轉的黑磷（BP）結構，發現了一種新的明亮紅外偶極激子。這些激子源于重構的能帶結構，展現出高的振蕩強度。 最重要的是，它們繼承了黑磷的線性偏振，這使得可以通過光的偏振來選擇偶極子方向。此外，偶極矩和共振能量可以通過黑磷的厚度廣泛調節。作者的結果展示了一個探索可調相關偶極激子的有用平臺。
研究亮點
1. 實驗首次發現了明亮的偶極激子，通過在90°扭轉的黑磷（BP）同質結構中形成，這些激子具有顯著的振蕩強度，并且其吸收率在室溫下超過1%。2. 實驗通過重構的能帶結構和層間電子與層內空穴的空間限制，形成了新型的偶極激子。與傳統的 TMDC 系統中的偶極激子不同，這些激子是本質上偶極的，具有可調的偶極矩。3. 研究表明，這些明亮的偶極激子可以通過光的偏振選擇其偶極子方向，并且偶極矩可以通過調整不同厚度的 BP 組合進行調節，范圍從 ~0.22 到 ~1.1 電子納米，共振能量從 ~0.4 到 1.6eV。
圖文解讀
圖1. 90°轉角 3+4層L 黑磷BP同質結構的消光光譜。
結論展望
本文將BP同質結構中偶極激子的特性與TMDC異質層和同質層中觀察到的特性進行了比較（圖4D）。顯然，偶極激子的工作波長范圍已擴展至紅外區域，這將促進創新的紅外器件應用，例如多維光電探測器、光發射器、氣體傳感器和新興微尺度光譜技術，這些應用都將受益于由于巨大的斯塔克效應而實現的高電調諧性。此外，通過調整BP厚度或選擇不同的帶間躍遷以及光偏振誘導的偶極子方向切換，可以高度調節偶極矩。這種可調性為操控偶極-偶極相互作用提供了良好的前景，這對于非線性偶極極化子、偶極復合物（如三激子、雙激子等）和激子物理領域中的相關態（如凝聚、超流、偶極晶體等）具有重要的基礎意義。值得注意的是，面內各向異性為這些新發現的偶極激子提供了更加豐富的物理特性，例如各向異性偶極激子擴散、各向異性偶極極化子等。Shenyang Huang et al. , Bright dipolar excitons in twisted black phosphorus homostructures. Science386, 526-531 (2024).DOI:10.1126/science.adq2977https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq2977
