[论文解读] Ultrafast Generation of Pseudo-magnetic Field for Valley Excitons in WSe2 Monolayers

Jonghwan Kim, Xiaoping Hong+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2014

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用 21

一句话总结

本研究利用圆偏振的飞秒激光脉冲，实现了对单层WSe2中谷激子的超快全光控制，诱导出选择性谷的光学斯塔克效应，产生超过170特斯拉的有效赝磁场。该效应在无耗散的情况下瞬时劈裂谷简并，实现了对谷赝自旋的相干调控，为量子信息应用提供了可能。

ABSTRACT

A new degree of freedom, the valley pseudospin, emerges in atomically thin two-dimensional transition metal dichalcogenides (MX2) and has attracted great scientific interest. The capability to manipulate the valley pseudospin, in analogy to the control of spin in spintronics, can open up exciting opportunities in valleytronics. Here we demonstrate that an ultrafast and ultrahigh valley pseudomagnetic field can be generated using circularly polarized femtosecond pulses to selectively control the valley degree of freedom in monolayer MX2. Employing ultrafast pump-probe spectroscopy, we observed a pure and valley-selective optical Stark effect in WSe2 monolayers from the non-resonant pump, which instantaneously lift the degeneracy of valley exciton transitions without any dissipation. The strength of the optical Stark effect scales linearly with both the pump intensity and the inverse of pump detuning. An energy splitting more than 10 meV between the K and K_prime valley transitions can be achieved, which corresponds to an effective pseudomagnetic field over 170 Tesla. Our study demonstrates efficient and ultrafast control of the valley excitons with optical light, and opens up the possibility to coherent manipulate the valley polarization for quantum information applications.

研究动机与目标

• 实现对二维过渡金属二硫属化合物中谷赝自旋的超快相干控制。
• 展示通过无耗散的光激发生成有效赝磁场。
• 探索使用非共振、圆偏振飞秒脉冲实现谷电子学的可行性。
• 量化WSe2单层中谷选择性光学斯塔克效应的强度与动力学特性。
• 通过相干谷极化控制，为量子信息处理提供潜在应用途径。

提出的方法

• 采用超快泵浦-探测光谱技术，研究单层WSe2中谷激子的动力学行为。
• 使用圆偏振飞秒激光脉冲选择性激发K和K'谷态。
• 非共振泵浦诱导出谷选择性的光学斯塔克位移，使K和K'谷跃迁之间的简并被劈裂。
• 测量光学斯塔克效应的强度随泵浦强度和失谐量的变化关系。
• 利用观测到的能量劈裂与关系式ΔE = g*μ_B*B_eff计算有效赝磁场。
• 在无热化或弛豫效应的条件下分析系统响应，确保纯光学控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在单层WSe2中实现对谷赝自旋的超快全光控制？
• RQ2 通过光激发可实现的最大有效赝磁场强度是多少？
• RQ3 谷激子之间的能量劈裂如何随泵浦强度和失谐量变化？
• RQ4 能否在无耗散或热化的情况下劈裂谷简并？
• RQ5 在二维半导体中，谷极化的相干调控具有何种潜力？

主要发现

• 在最佳条件下，观察到K和K'谷激子跃迁之间能量劈裂超过10 meV。
• 观测到的能量劈裂对应于超过170特斯拉的有效赝磁场。
• 光学斯塔克效应与泵浦强度以及泵浦失谐量的倒数呈线性关系。
• 该效应为纯光学且无耗散，未观察到热化或弛豫现象。
• 谷选择性控制在飞秒时间尺度内实现，支持超快调控。
• 结果表明，为二维材料中谷赝自旋的相干全光控制提供了可行路径。