近来，中国科学院半导体研究所下设的半导体超晶格国家重点实验室发表了关于二维半导体WS2中暗激子与布里渊区边界声学声子之间量子干涉现象的研究成果，并揭示了对称性在这一过程中的关键作用。此研究以《少数层WS2内暗激子与边缘声学声子的量子相互作用》为题，在《自然-通讯》杂志上在线发布，进一步加深了我们对于该领域物理现象的理解。
具体而言，这一工作首次在二维半导体材料——即WS2中观察到了暗激子与布里渊区边界处声学波之间的量子干涉导致的法诺共振行为，并深入探讨了对称性在此过程中的重要角色。通过这一研究，科学家们不仅揭示了全新的物理效应，还为后续材料科学与物理学领域的理论研究和实际应用提供了新的视角和实验依据。
这项研究成果，以其精炼的语言表述和高阶的学术深度，在国际科学界引起了广泛关注，并且有望为半导体材料及量子电子学领域的发展带来实质性推进。通过量化地探究暗激子和声子之间的相互作用机制，此研究不仅拓展了我们对于二维材料性质的认识边界，同时也为未来基于此类材料的技术创新铺平了道路。
总而言之，中国科学院在这一领域的突破性发现，展示了科学研究中对细微现象的深入洞察与解析能力，以及跨学科合作在推动科学前沿进步中的关键作用。这一研究不仅是学术领域内的一次重要贡献，也为实现基于量子效应的新一代技术奠定了理论基础。
得益于库伦屏蔽效应的减弱，二维层状半导体中的激子效应凸显得更为明显。在这一物理场景下，偶极跃迁行为使得亮激子可以被直接通过光致发光的方式观测，而暗激子，由于其偶极跃迁禁带属性，其检测则更具挑战性且较为困难。暗激子的复合过程往往需要额外激发手段的辅助，例如声子等，因此，共振拉曼散射被视为一种极为有效的研究方法，用于探索暗激子与声子之间的相互作用。
二维半导体材料，如MoS2和WS2这类过渡金属硫族化物，因其丰富的能谷结构而备受欢迎。这些物质在布里渊区内包含多处能量相近的能谷点，如Γ、K、Q等，并能够展现强烈的光-物质交互特性，这为深入研究暗激子与声子间的相互作用提供了理想平台。
在对不同数值孔径下获得的光致发光光谱进行深入分析后，我们明确验证了在极少层数的WS2晶体中同时存在明亮态A激发子与被禁戒的暗态A激发子。对于多层的WS2结构，其能带特征表现为导带底部位于Q谷，价带顶部则位于K谷；这一独特的能量分布使得在Q至K方向上的动量变化能够通过布里渊区的M点声子波矢实现精确补偿。由此推知，在布里渊边界M点的一级声子有望直接通过拉曼光谱技术进行探测，预期观察到这一过程中暗态激子——即由Q谷电子与K谷空穴相互作用形成的激发态——参与的共振散射现象。
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我们的研究团队精心选择了与暗态A激发光进行共振交互，并在低温环境下进行了拉曼光谱测量。正如我们所预期，在这种特定的激发条件下，我们成功地观察到了布里渊区边界M点上一阶声学声子的拉曼模式——TA、ZA和LA，发现其呈现出一种不对称且富有魅力的Fano线性特征，并展现了一种镜像分布的现象。
在特别关注于双层WS2材料时，我们观察到暗激子与声子之间的强耦合导致了独特的ZA声学模式表现出了Fano凹陷——这揭示了相消干涉的行为。通常情况下，Fano共振现象源自连续态和离散态间的量子干涉效应。
通过深入的理论分析及实证研究，我们确定了构成暗激子状态的关键成分：K谷空穴与Q谷电子形成的能级组合以及M点声子作为分立态的角色。在较微弱光激发的情况下，由于暗激子具有较长寿命且二维激子的态密度相对较低，从而形成了类连续的状态。
进一步地，我们通过调整激发光波长和进行变温拉曼光谱实验，对上述发现进行了验证。最后，我们的研究从物理的对称性视角深入探讨了平面内剪切模、边界声学声子与暗激子耦合的机理，揭示了声子振动方向以及激子的对称性对于二者耦合过程的重要影响。
我们旨在通过这样的探索，不仅加深对材料特性的理解，同时也为后续的研究提供了新视角和潜在的应用路径。
来自厦门大学、新加坡南洋理工大学以及法国图卢兹大学的研究者，共同贡献于这一项目，该成果得到了国家重点研发计划、中国科学院创新交叉团队项目及国家自然科学基金的资助与支持。
图1.Fano共振示意图，暗激子跃迁示意图，亮激子暗激子的实验观测以及布里渊区QK与ΓM波矢匹配示意图。
图2.边界声学声子Fano共振的实验观测与振动示意图
