半导体的突破提高实用性

12月2日消息，实现用声波控制固体的光学性质：来自瑞士、德国和法国的物理学家发现，由超短激光脉冲发射的大振幅声波，可以动态操纵半导体的光学响应。材料科学研究的主要挑战之一是：在室温下实现半导体光学性质的高可调谐，这些性质由“激子”控制，激子是半导体中负电子和正空穴的束缚对。激子在光电子学中变得越来越重要，过去几年见证了对可调节激子特性控制参数（温度、压力、电场和磁场）的研究激增。

然而，只有在平衡条件下和低温下才能实现适度大的变化，环境温度的重大变化对应用非常重要，但到目前为止还缺乏这种变化。这一点现在洛桑超快科学中心EPFL的Majed Chergui实验室与Angel Rubio（Max-Planck Institute，汉堡）和Pascal Ruello（勒芒大学）的理论小组合作实现。在发表在《科学进展》期刊上的国际研究小组，首次展示了利用声波控制激子特性。为了做到这一点，科学家使用超短激光脉冲在材料中发射了一种高频（数百吉赫兹）大振幅声波。

该策略还能在高速下动态操纵激子属性，这一显著结果是在室温下对二氧化钛取得的，二氧化钛是一种廉价而丰富的半导体，广泛用于光伏、光催化和透明导电衬底等各种光能转换技术中。研究发现和完整的描述，为该应用提供了非常令人兴奋的前景，例如廉价的声光设备或外部机械应变传感器技术。使用高频声波，如由超短激光脉冲产生的声波，作为激子的控制方案，为声激子和有源激子开辟了一个新纪元，类似于利用金属等离子体激发的有源等离子体激子。

主要作者Edoardo Baldini目前在麻省理工学院工作并表示：这些结果仅仅是通过在材料中发射高频声波可以探索的开始，希望在未来使用它们来控制控制磁性的基本相互作用，或触发复杂固体中的新相变。利用含时微扰控制室温半导体的激子光学性质，是未来光电应用的关键。光学斯塔克效应在块状和低维材料中显示出激子位移低于20 meV。

新展示了在廉价和丰富的半导体锐钛矿型二氧化钛（TiO2）单晶中，通过光致相干声子对激子性质的动态调谐。激子和光致应变脉冲之间的巨大耦合，产生了30-50 meV的室温激子移位，并对其振子强度进行了显着的调制。激子-声子相互作用的高级ab initio处理充分解释了这些结果，并表明形变势耦合是产生和检测声学调制的基础。