应变诱导赝磁场调控过渡金属二硫化物中费米极化子的赝自旋动力学

《Nature Communications》：Fermi polarons under strain-induced pseudomagnetic fields

本刊推荐：为探索赝磁场对激子赝自旋的调控机制，研究团队通过静电张力技术在悬浮单层MoSe2和WSe2中实现可调谐单轴应变，首次观测到中性激子（X0）的赝塞曼分裂（达43 T/5.0 meV）和赝拉莫尔进动，并利用赝磁g因子谱学证实带电激子（X-）的费米极化子（FP）玻色子特性。该工作为多体量子态表征提供了新范式。

　　

在原子级厚度的二维材料世界中，过渡金属二硫化物（TMDs）因其独特的能谷自由度而备受关注。这类材料中的激子（由电子和空穴组成的准粒子）携带一种被称为“赝自旋”的量子属性，其方向对应激子位于K或K'能谷的状态。尽管科学家早已发现可通过光斯塔克效应产生赝磁场来操控赝自旋，但高强度激光脉冲易干扰低能激子态的特性限制了深入研究。更根本的挑战在于：如何区分带电激子的两种竞争性理论模型——是费米子性的三粒子Trion，还是玻色子性的费米极化子（Fermi polaron, FP）？这一争议悬而未决，因为传统实验手段难以直接探测其统计特性。

发表在《Nature Communications》的最新研究突破了这一瓶颈。研究团队开发了一种基于静电张力的应变工程技术，在低温环境下对悬浮TMD单层施加可控单轴应变，首次实现了高强度、时间稳定的赝磁场，并系统揭示了中性与带电激子的赝自旋动力学规律。通过构建赝磁g因子谱学方法，他们最终确证了带电激子的玻色子本质，为多体量子态研究开辟了新路径。

研究的关键技术方法包括：利用椭圆沟道几何结构在悬浮MoSe₂/WSe₂薄膜中产生高单轴性应变（80%）；通过偏振分辨光致发光（PL）光谱测量赝塞曼分裂；结合线性/圆偏振激发-检测方案分析赝自旋弛豫时间；通过栅压调控载流子密度以研究费米极化子g因子随费米能级演化。

应变TMDs中的赝自旋

单层TMDs的晶体对称性使K和K'能谷的激子具有能量简并性。应变通过哈密顿量H=H₀+(?/2)(Ω·σ)产生等效赝磁场Ω=(B/?)(ε_xx-ε_yy, 2ε_xy, 0)，其中B为材料参数（MoSe₂达24.6 T/%）。

实验通过椭圆沟道器件（8×3μm）实现高均匀性应变（Δε/ε<10%），为赝自旋操控提供了理想平台。

赝磁场中的赝塞曼分裂

在0.4%单轴应变下，MoSe₂中性激子X⁰的偏振分辨PL光谱显示出明显的能量劈裂（图2a-b）。

通过拟合E(φ)=E₀+(?Ω/2)cosφ，测得赝磁场强度随应变线性增长，最高达43 T（5.0 meV）。该效应在双轴应变器件中消失，证实其源于赝自旋与赝磁场的相互作用。

赝自旋动力学的应变调控

线性偏振光激发下，WSe₂中出现的圆偏振PL不对称性（图3b）直接证实了赝拉莫尔进动。

z?分量随赝磁场变化；d S_∥分量弛豫时间延长'>基于布洛赫方程模型拟合S_z^*=τ_⊥Ω/[1+(τ_⊥Ω)²]，得到相干时间T_coh=1.0±0.2 ps，较无应变样品提升一倍。更重要的是，赝磁场抑制了Ω^LT引起的退相干，使纵向弛豫时间T_∥延长至8 ps，为赝自旋操控提供了关键参数。

赝磁场下的多体态

带电激子X^-在赝磁场下的响应成为区分其本质的关键（图4a）。

F演化'>实验观测到X^-的有限分裂（g_p=2.0），与费米极化子模型预测高度吻合，而Trion模型（g_p=0）被排除。在WSe₂中，亮激子X^±的g_p（≈2.0）显著高于暗激子X_d^±（≈0.8），反映了能谷混合效应的差异。通过栅压调控费米能级E_F，发现g_p随E_F线性增加，从低掺杂时的近零值饱和至中性激子分裂值，完美验证了理论预测。

结论与展望

本研究通过应变诱导赝磁场实现了对TMDs中激子赝自旋的精密操控，首次测量了赝自旋弛豫关键参数，并创立赝磁g因子谱学方法破解了带电激子本质的长期争议。研究证实费米极化子作为玻色子准粒子的响应特性，为多体量子态研究提供了新工具。未来，赝磁场与真实磁场的耦合、时间域赝自旋动力学探测、以及赝自旋-轨道耦合效应等方向将开辟谷电子学的新前沿。此外，基于赝拉莫尔进动的太赫兹发射源、赝自旋量子比特等应用前景值得期待。