声子斯塔克效应 | 进展

斯塔克效应 (Stark effect)描述了光谱线能量在外加电场下的移动或劈裂，是现代物理学著名的量子现象之一。斯塔克效应由德国物理学家 Johannes Stark于1913年在氢原子光谱中发现（其实，意大利物理学家 Antonino Lo Surdo也在同一年发现了该效应）。由于斯塔克效应对量子力学理论发展的重要贡献，其发现者Johannes Stark于1919年被授予诺贝尔物理学奖。在凝聚态物理中，激子（即受库仑相互作用束缚的电子-空穴对）相关的斯塔克效应也已在各种量子系统中被相继发现，如量子点、量子阱、范德华异质结等。激子斯塔克效应不仅为精准、高速、有效操控材料物理性能提供了新的范例，也为新的量子现象和先进技术应用提供了可能，如片上电光调制器、可调谐量子光源、纳米级自旋整流器控制、以及紧凑型光谱仪等。

图1. 双层MoS2中的层间激子及其斯塔克效应

除了激子之外，凝聚态体系中存在着的多种集体激发，如声子、磁振子、等离激元等。 然而，尽管经历了几十年的探索和研究，斯塔克效应的观测还仅仅局限在激子。 其他集体激发是否能够出现斯塔克效应，仍处于空白。 无疑，探索凝聚态中更广泛集体激发可能具有的斯塔克效应，将有助于阐明新的物理现象和激发新的应用。

图2. 声子斯塔克效应

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心N07课题组的博士生黄智恒在杜罗军特聘研究员、张广宇研究员的指导下，基于课题组此前在天然双层过渡金属硫族化物激子量子限域斯塔克效应研究的基础上 [Phys. Rev. B 105, L041409 (2022); Physical Review B 105, L041411 (2022); Natl. Sci. Open 2, 20220060 (2023)]，利用对层间激子能量的连续调控，实现了垂直电场对双层MoS2声子能量的线性调控，首次阐明了声子斯塔克效应的存在，并且声子能量调控可达~ 1THz，远高于已报道的其他机制的声子调控 (<0.3 THz)，如光场调控、磁场调控、科恩异常机制调控等。

图3. 层间激子与声子的耦合

理论方面，中国科学院物理研究所SF10课题组博士生白云飞、王亚娴副研究员、孟胜研究员使用多体微扰理论计算了不同声子模式与层间激子的耦合强度，阐明实验观察到的声子斯塔克效应来源于层间激子介导的激子“修饰”声子态的形成。 此外，基于双层MoS2中层间激子和红外声子的强耦合，还实现了对红外声子高达~ 1200%的强度调制。 本工作首次将斯塔克效应由激子扩展到声子，并实现了有效的声子调控，有望推动声子相关的多体物理的进一步研究以及更多集体激发模式斯塔克效应的探索，为新的物理现象和应用提供可能。

图4. 声子发射强度的巨大调制

相关研究成果以“Observation of phonon Stark effect”为题发表在Nature Communications 15, 4586 (2024) (2024)。中国科学院物理研究所博士生黄智恒、白云飞为该工作的共同第一作者，中国科学院物理研究所杜罗军特聘研究员、王亚娴副研究员、张广宇研究员为共同通讯作者。本研究工作获得来自芬兰阿尔托大学孙志培教授、中国科学院物理研究所孟胜研究员、张清明研究员、许杨特聘研究员、杨威特聘研究员、时东霞研究员、中国科学院半导体研究所谭平恒研究员、吴江滨研究员、中国科学院理论物理研究所所张田田副研究员等的合作与支持；得到了科技部重点研发计划，国家自然科学基金委，广东省重点研发计划，中国科学院先导B等项目的资助。

编辑：尼洛

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