冲绳科学技术研究所 为了发生激子-激子湮灭，两个激子必须相互作用
对于一维和二维系统，这些相互作用具有很好的特征
在一维系统中，我们可以想象激子的相互作用就像小学生在公交车上说话一样
例如，激子4可以与其邻居激子3或5相互作用，但由于空间限制，不能与激子1和2相互作用
在二维系统中，就像操场上的小学生一样，激子4现在可以在两个维度上自由移动，并且可以与任何其他激子相互作用——例如，激子2或5
科学家们旨在找出磷烯(一种准一维系统)中的相互作用是如何发生的
信用:OIST 自2014年发现以来，磷烯——一层只有一个原子厚的磷原子——因其独特的光电各向异性引起了科学家的兴趣
换句话说，电子与光相互作用，只向一个方向运动
这种各向异性意味着，尽管磷烯是二维的，但它显示出一维和二维材料的混合特性
科学家认为，磷烯独特的准一维性质可以用来开发新的、创新的光电器件，从发光二极管到太阳能电池
现在，来自OIST冲绳科学技术研究生院飞秒光谱学部门的科学家已经揭示了激子——光电子学核心物质的激发态——是如何在磷烯中运动和相互作用的
“由于各向异性，与其他二维材料相比，激子在磷烯中的行为非常独特，我们才刚刚开始理解，”维韦克·帕雷克博士说
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该研究的学生和第一作者，发表在《物理评论快报》上
当一种物质吸收一个光子时，激子就形成了，导致电子被激发到更高的能量状态
这就留下了一个带正电的“空穴”，在这个空穴中，电子被吸引到带负电的受激电子上，从而停留在它的初始能态
由此产生的束缚电子空穴对——激子——可以穿过材料并与其他激子相互作用
但是激子是短暂的，随着时间的推移，被激发的电子“回落”到空穴中
为此，激子可以发射光子——这一过程称为辐射复合——或者它们可以相互碰撞，将热量传递给材料——这是一种称为激子-激子湮灭的非辐射复合
“激子-激子相互作用，或者说湮灭，在一维和二维系统中是非常不同的，”帕雷克解释道
“因此，我们可以用激子-激子湮灭作为工具来探测准一维磷烯中相互作用的性质
" 在低激子密度下，相互作用只发生在一维，沿着有利的方向
在高激子密度下，相互作用发生在二维，沿两个方向
信用:OIST 探测磷烯 科学家们使用激光向亚磷发射两个光脉冲——一个泵浦脉冲激发电子形成激子，一个探测脉冲捕获在最初的100皮秒(万亿分之一秒)内发生的激子-激子湮灭
通过改变泵浦脉冲的功率，研究人员改变了激子形成的初始密度
研究小组发现，随着激子密度的增加，激子-激子湮灭在维度上发生变化，从一维移动到二维
研究人员表明，这种尺寸变化是由于磷烯的各向异性特性引起的，这种特性是由材料的异常结构引起的
这种各向异性导致激子沿着晶格在一个特定方向上移动得更快，而在另一个方向上移动得更慢
因此，在低激子密度下，激子之间的相互作用主要只发生在一维——沿着更有利的方向
但是当激子密度增加时，导致激子之间的距离变小，相互作用开始在两个维度上发生
科学家们还探索了温度对激子-激子湮灭的影响
当研究小组冷却亚磷薄片时，激子-激子湮灭从二维恢复到一维，即使在高激子密度下也是如此
“这项研究表明，根据我们设定的条件，我们可以控制激子-激子湮灭是发生在一维还是二维，”博士说
朱利安·马代奥，OIST工作人员科学家，该研究的合著者
这揭示了磷烯的一个有趣的新特性，增强了它作为光电子器件新材料的前景
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