近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究在激光控制轉(zhuǎn)角雙層石墨烯產(chǎn)生超快光電流方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表于Physical ReviewB上。
超快光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使得在亞飛秒時(shí)間尺度上相干操縱固體中的電子運(yùn)動(dòng)成為可能。近年來，人們利用周期量級驅(qū)動(dòng)光脈沖在一系列的絕緣體和半導(dǎo)體材料中都激發(fā)出了光電流，并對這個(gè)過程做了廣泛而深入的研究。轉(zhuǎn)角雙層石墨烯作為一種新型狄拉克材料，展現(xiàn)了很多全新的物理現(xiàn)象，例如超導(dǎo)性和類模特絕緣態(tài)等，引起了很多的關(guān)注。
研究人員建立了兩種獨(dú)立互補(bǔ)的模型，從理論上研究了通約構(gòu)型的轉(zhuǎn)角雙層石墨烯在少周期圓偏振激光脈沖激勵(lì)下的光致電流過程。結(jié)果表明，光致電流會受到光電場載波波形的控制，體現(xiàn)出對光脈沖載波包絡(luò)相位和探測電極取向的共同依賴。此外，不同的光電場強(qiáng)度可以引起電子躍遷機(jī)制的改變，當(dāng)驅(qū)動(dòng)光場增大到強(qiáng)場范圍時(shí)，光電流表現(xiàn)出非單調(diào)行為，甚至發(fā)生明顯的方向反轉(zhuǎn)，這在單層石墨烯和傳統(tǒng)的AA、AB堆疊的雙層石墨烯中不會發(fā)生。研究人員成功揭示了電流反轉(zhuǎn)的主要原因在于費(fèi)米能級附近幾條能帶之間直接和間接電子躍遷的量子干涉，這是由于層間相互作用和扭轉(zhuǎn)角引入了新的自由度，使得轉(zhuǎn)角雙層石墨烯形成周期性更高的莫爾超晶格，從而導(dǎo)致布里淵區(qū)的能帶折疊，讓這種干涉過程更容易發(fā)生。該項(xiàng)研究為探索層狀二維材料的非線性光學(xué)響應(yīng)奠定了基礎(chǔ)，也為超快光電器件的設(shè)計(jì)提供了思路。
相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。
圖1 (a) 圓偏光激發(fā)轉(zhuǎn)角雙層石墨烯產(chǎn)生光電流的示意圖。 (b) 扭轉(zhuǎn)角
的晶格結(jié)構(gòu)。 (c) 第一布里淵區(qū)示意圖。
圖2 單層石墨烯MLG（黑色實(shí)線）、AA 堆疊雙層（藍(lán)色虛線）、AB 堆疊雙層（紅色點(diǎn)線）和 tBLG（綠色點(diǎn)劃線）中光電流隨場強(qiáng)的變化(a)密度矩陣模型和(b) TDSE模型。
圖3 參與電流反轉(zhuǎn)的主要能帶和躍遷通道。
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