张顺平、徐红星等：范德华异质双层中激子的辨认取得重要进展

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近期，武汉大学物理科学与技术学院张顺平教授、徐红星院士与袁声军教授、张晨栋教授合作，在过渡金属硫族化物的原子层异质结的光物理领域中取得重要进展，揭示了异质双层中堆叠角度依赖的激子的波函数分布在单一原子层内，跃迁偶极矩也基本平行于原子面，相关工作于7月30日以“Identification of twist-angle-dependent excitons in WS2/WSe2 heterobilayers”为题发表于国内顶级杂志《National Science Review》上。论文第一单位是武汉大学物理科学与技术学院，我院博士后武可和钟红霞为论文共同第一作者，袁声军教授、张顺平教授与徐红星教授为通讯作者。
       二维材料的兴起为新型光电集成器件发展带来新的赛道。其中，人工构筑的二维范德华异质结展现出诸多依赖层间相互作用的新奇电子、光电子特性。以二维过渡金属硫族化合物（MX2，M为过渡金属，X为卤族元素）为例，人工构建MX2异质结，层间的相互作用形成堆叠角度依赖的层间激子，而异质结中也会产生摩尔势束缚的谷极化激子跃迁，这些激子跃迁的辨认在以往的研究中由于其跃迁能级相近性而饱受争议。本工作以WS2/WSe2 异质结为例，结合光谱分析和第一性原理计算，对异质结中的新型光激子跃迁进行了确认。实验表明该异质结中的新型激子辐射能量(~ 1.35 eV)对堆叠角度具有强烈的依赖特性（图b），符合所谓“层间激子”的特性，但是基于GW-BSE方程计算该激子波函数分布可知（图c），参与复合跃迁中的电子和空穴均来自于WS2材料，而真正意义上的层间激子跃迁在近红外区间（1.06 eV），打破了以有的常规认知。进一步的，实验上通过动量空间的偏振光谱分析表明该激子的辐射跃迁偶极矩主要是原子层面内的（图d），而且不依赖于堆叠角度，与理论结果高度符合。该工作为范德华异质结激子与光学结构的耦合提供了重要参考，为范德华异质结光电器件的设计提供了宝贵的理论指导。

图（a）WS2/WSe2异质结的光学照片。（b）异质结中低能新峰峰位随堆叠角度变化的依赖关系。（c）理论计算的异质结能带结构。（d）动量分辨的新峰荧光成像。

       该研究工作得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划和中国科学院先导专项等项目的支持。
       论文链接：https://academic.oup.com/nsr/adv ... /6332300?login=true




       文章来源：武汉大学
        张顺平，武汉大学博士生导师，1985年出生于广东揭阳，武汉大学物理与科学技术学院副教授，武汉大学珞珈青年学者（2016）。研究兴趣包括等离激元光子学、微纳尺度上光与物质相互作用、有源与无源纳米光电信息器件、增强光谱等领域。主要研究成果包括：1）发现手性表面等离极化激元、构造线性与非线性等离激元波导回路；2）阐释Fano共振是实现高灵敏等离激元传感的主要机制、实现亚皮米精度的等离激元距离传感；3）实现纳腔中光与物质的强相互作用体系以及对极小空间中光场的定量测量，解决纳米光学领域一个重要物理效应长期以来无法定量测量的困扰。发表学术论文30余篇，其中以第一/通讯作者（含共同）发表Phys. Rev. Lett. 2篇、Nat. Commun. 1篇、Light: Sci. Appl. 1篇、Nano Lett. 6篇、ACS Nano 2篇，Web of Science被引2000余次（单篇最高被引400余次）。主持国家自然科学基金委面上项目1项、青年项目1项、中国博士后基金2项，参与973项目1项、国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项项目1项。
       徐红星，武汉大学物理科学与技术学院教授，973项目首席科学家，长江特聘教授，2006年杰青，2010年获得中国青年科技奖，2013年获得饶毓泰物理奖，2016年获中国光学重要成果奖，2017年当选中国科学院院士。他长期从事表面增强光谱、等离激元光子学和纳米光学领域的研究工作：在实验上首次发现了金属纳米结构间隙的巨大电磁场增强效应，是超灵敏光谱传感的基础；首次实现了纳米光逻辑，开创了纳米光芯片研究的新方向；最近把等离激元共振的灵敏度提高到亚皮米精度。发表论文180余篇，SCI引用13000余次，单篇引用超过1000次的两篇（分别是1999年PRL，当年PRL被引最高的两篇文献之一；2000年PRE，当年PRE被引最高文献，被选为PRE的里程碑论文），单篇超过100次的37篇，h因子58；2014-2017年连续入选中国高被引学者榜。他已作国际会议邀请报告60余次；在等离激元光子学领域国际系列会议（SPP，NFO，SPIE,FOP）中，任FOP国际会议的大会主席，其它三大国际会议的程序委员会委员；最近任高登研究会议（GRC）Plasmonically-Powered Processes国际会议首届大会主席；曾任Nanoscale副主编，Optics Express副主编。
        袁声军，男，出生于1979年4月，武汉大学物理科学与技术学院教授、博士生导师。主要的研究领域为计算物理学、凝聚态理论和高性能科学计算，包括发展针对复杂量子体系的多尺度模拟方法，发展针对量子多体问题的计算方法，低维量子体系的电学、光学、输运和等离基元性质，强关联自旋系统的弛豫和退相干等等，并开发具有自己知识产权的高性能模拟软件。
          张晨栋，武汉大学物理科学与技术学院教授、博士生导师，2011年中国科学院物理研究所毕业获博士学位，毕业后于美国得科萨斯大学奥斯汀分校从事博士后研究。主要从事表面物理、低维量子体系如二维范德瓦尔斯材料方面的研究。