我所觀測到膠體量子阱的弗洛凱態及其退相干過程

近日，我所化學動力學研究室光電材料動力學研究組 (1121組) 吳凱豐研究員與朱井義副研究員團隊在低維材料超快光物理研究中取得新進展。團隊在室溫下利用飛秒可見光脈沖驅動膠體量子阱，觀測到了近紅外波段的弗洛凱態光譜特征，并在時域上獲得了弗洛凱態通過退相干轉變為平衡物質態的動力學演化過程。

時變周期性外場驅動的電子態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、輸運、磁性、超導等性質。這種調控機制被稱作“弗洛凱工程”，其起源于光場與物質的相干耦合，而這種耦合會導致材料的平衡電子態在能量空間形成等間隔排列的伴線，即弗洛凱態。在固體材料中觀測弗洛凱態一直具有相當大的挑戰性，這種挑戰一方面來自于材料對強光場的穩定性，另一方面則來自于時間分辨光電子能譜技術的復雜性。因此，在溫和條件下、利用純光學手段觀測弗洛凱態是研究人員長期追求的目標。

溶液相制備的膠體半導體納米晶（比如量子點）具有尺寸、形貌易調諧的豐富物理化學性質，近年來成為研究光與物質相互作用的重要平臺。吳凱豐團隊長期致力于膠體量子點的超快光物理與光化學研究：率先實現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結構裂分的新機制（Nat. Mater.，2022）；基于量子點三線態傳能實現了近紅外上轉換與光合成（Nat. Photonics，2023）；綜述了量子點的相干效應及量子信息應用等（Nat. Mater.，2024；Nat. Nanotechnol.，2023）。在這些量子限域的材料中，巨大的態密度被壓縮到帶邊，從而帶來了銳利的光學響應，特別適合通過相干驅動帶邊躍遷來產生弗洛凱態。這些弗洛凱態在自旋相干操控中已經發揮了重要作用，但是其直接光譜觀察尚未實現。

在本工作中，研究團隊選擇了厚度精準的二維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動下所產生的弗洛凱態。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）。團隊選擇重空穴能級（|hh1?）和最低的兩個電子能級（|e1?和|e2?）所構成的級聯三能級系統，利用失諧光子（?ωL）驅動帶間躍遷（|hh1?→|e1?）來形成弗洛凱態（|hh1 + ?ωL?）。由于|hh1 + ?ωL?態和|e1?態之間存在著雜化和振子強度轉移，團隊觀察到在|e1?→|e2?子帶間躍遷（A2）的藍端出現了新的吸收特征（A1）。這一吸收特征在能量上符合弗洛凱態到|e2?態的躍遷，并且僅出現在時間零點附近，進一步說明了其起源于光與物質的相干作用。團隊還測量了一系列失諧量下的|hh1 + ?ωL?態到|e2?的吸收能量，發現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上存在著此消彼長的關聯行為，說明光場驅動產生的弗洛凱態會歷經退相干轉化為平衡電子態|e1?。基于密度矩陣的模擬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的光譜特征，還揭示了其豐富的動力學性質，這些發現對實現化學材料體系的光學相干操控具有重要的啟示。

相關研究成果以“Observation of Floquet states and their dephasing in colloidal nanoplatelets driven by visible pulses”為題，于近日發表在《自然-光子學》（Nature Photonics）上。上述工作得到了中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、新基石科學基金會科學探索獎、我所創新基金等項目的資助。（文/圖 李宇軒、朱井義）

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