近日，我所化学动力学研究室光电材料动力学研究组 (1121组) 吴凯丰研究员与朱井义副研究员团队在低维材料超快光物理研究中取得新进展。团队在室温下利用飞秒可见光脉冲驱动胶体量子阱，观测到了近红外波段的弗洛凯态光谱特征，并在时域上获得了弗洛凯态通过退相干转变为平衡物质态的动力学演化过程。
时变周期性外场驱动的电子态可以为固体材料带来新的自由度，并且能够极大地改变材料的光学、输运、磁性、超导等性质。这种调控机制被称作“弗洛凯工程”，其起源于光场与物质的相干耦合，而这种耦合会导致材料的平衡电子态在能量空间形成等间隔排列的伴线，即弗洛凯态。在固体材料中观测弗洛凯态一直具有相当大的挑战性，这种挑战一方面来自于材料对强光场的稳定性，另一方面则来自于时间分辨光电子能谱技术的复杂性。因此，在温和条件下、利用纯光学手段观测弗洛凯态是研究人员长期追求的目标。
溶液相制备的胶体半导体纳米晶（比如量子点）具有尺寸、形貌易调谐的丰富物理化学性质，近年来成为研究光与物质相互作用的重要平台。吴凯丰团队长期致力于胶体量子点的超快光物理与光化学研究：率先实现了量子点自旋的室温相干操控（Nat. Nanotechnol.，2023）；揭示了量子点激子精细结构裂分的新机制（Nat. Mater.，2022）；基于量子点三线态传能实现了近红外上转换与光合成（Nat. Photonics，2023）；综述了量子点的相干效应及量子信息应用等（Nat. Mater.，2024；Nat. Nanotechnol.，2023）。在这些量子限域的材料中，巨大的态密度被压缩到带边，从而带来了锐利的光学响应，特别适合通过相干驱动带边跃迁来产生弗洛凯态。这些弗洛凯态在自旋相干操控中已经发挥了重要作用，但是其直接光谱观察尚未实现。
在本工作中，研究团队选择了厚度精准的二维CdSe纳米片（即胶体量子阱）作为模型体系来观测其在可见光驱动下所产生的弗洛凯态。在该体系中，由于电子运动在垂直于纳米片平面方向上存在着限域，因此形成了一系列量子化的能级（子带）。团队选择重空穴能级（|hh1⟩）和最低的两个电子能级（|e1⟩和|e2⟩）所构成的级联三能级系统，利用失谐光子（ћωL）驱动带间跃迁（|hh1⟩→|e1⟩）来形成弗洛凯态（|hh1 + ћωL⟩）。由于|hh1 + ћωL⟩态和|e1⟩态之间存在着杂化和振子强度转移，团队观察到在|e1⟩→|e2⟩子带间跃迁（A2）的蓝端出现了新的吸收特征（A1）。这一吸收特征在能量上符合弗洛凯态到|e2⟩态的跃迁，并且仅出现在时间零点附近，进一步说明了其起源于光与物质的相干作用。团队还测量了一系列失谐量下的|hh1 + ћωL⟩态到|e2⟩的吸收能量，发现其能够与弗洛凯理论较好地吻合。此外，A1和A2两个吸收特征在动力学上存在着此消彼长的关联行为，说明光场驱动产生的弗洛凯态会历经退相干转化为平衡电子态|e1⟩。基于密度矩阵的模拟给出了该退相干过程的时间尺度在百飞秒量级。
该研究不仅在温和的实验条件下直接观测到了胶体量子阱中弗洛凯态的光谱特征，还揭示了其丰富的动力学性质，这些发现对实现化学材料体系的光学相干操控具有重要的启示。
相关研究成果以“Observation of Floquet states and their dephasing in colloidal nanoplatelets driven by visible pulses”为题，于近日发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上。上述工作得到了中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、新基石科学基金会科学探索奖、我所创新基金等项目的资助。（文/图 李宇轩、朱井义）
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-024-01505-z
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