澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的研究人员首次使用先进的光谱技术量化了两个激子结合成双激子状态所需的能量。他们与澳大利亚国立大学的研究人员合作，直接测量二硫化钨 (WS2) 中的双激子结合能，二硫化钨 (WS2) 是一种二维材料，属于过渡金属二硫化物 (TMDC) 半导体家族。该研究发表在《2D Materials》上。
该团队表示，其研究结果可用于开发基于 TMDC 中双激子流的未来应用。
研究人员使用双量子多维相干光谱 (2Q-MDCS)，一种用于探测双激发态的技术，来识别和分离单层 WS2 中的光激发双激子。为了明确地测量原子级薄 TMDC 材料中的双激子特征，研究人员运行了一系列具有精确控制的相位关系和明确定义的波矢量的超短光脉冲。
斯威本教授杰夫戴维斯说，“通过使用具有高精度的多个脉冲，我们可以选择性地直接探测双激发双激子状态，同时消除单激发激子状态的任何贡献，2Q-MDCS 方法使研究人员能够对双激子结合能进行直接实验测量。这种直接激发双激子的能力对于光致发光光谱等更常见的技术是无法实现的。”
图注：杰夫•戴维斯教授是量化双激子结合能研究的通讯作者，他领导的Swinburne超快光谱实验室。该大学的研究人员使用先进的光谱方法量化了两个激子结合成双激子态所需的能量。这项工作对开发新的量子材料和量子模拟器具有重要意义
当研究人员使用 2Q-MDCS 观察双激子时，相关激子会产生一个信号，相关激子是相互作用但未结合的激子对。研究人员认为未结合的双激子状态和双激子之间的能量差是双激子结合能的基本定义，测量值为 26 ± 2 meV。
“双激子峰和相关的双激子峰之间的能量差是测量双激子结合能的最佳手段，”研究员 Mitchell Conway 说。 “这是一个令人兴奋的观察，因为其他光谱技术没有观察到这些相关的激子。”
此外，研究人员还确定了单层 WS2 中双激子的性质。当使用 2Q-MDCS 解析双激子峰时，他们观察到由两个自旋相反的亮激子组成的双激子，称为亮-亮间隔双激子。
相比之下，报告单层 WS2 中的双激子的光致发光测量无法识别所涉及的特定激子。以前用于识别双激子的技术仅限于测量来自双激子到激子跃迁的光子。这种转变可能无法反映双激子或激子相对于基态的精确能量。
除了增加对双激子动力学和特征能量尺度的科学理解之外，该发现还可以支持基于双激子的设备的开发，例如更紧凑的激光器和化学传感器。
由于材料的维度降低，激子和激子复合物（例如双激子）的结合能在二维材料中得到增强。这种增加的结合能使双激子更容易获得，即使在室温下也是如此，并为一系列低能技术引入了在新材料中使用双激子的可能性。
康威说，“在我们将这些二维材料应用于下一代低能电子设备之前，我们需要量化驱动其功能的基本特性，准确识别单层半导体中双激子特征的能力也有助于推进新量子材料和量子模拟器的开发。”
