張俊　來嘉敏

【主持人語】半導(dǎo)體材料有一段很長(zhǎng)的發(fā)展歷史，最早可追溯到1833年Faraday （法拉第）發(fā)現(xiàn)的硫化銀，由于熱激發(fā)，其電阻值會(huì)隨著溫度的上升而降低。但是對(duì)半導(dǎo)體材料的深入理解還是在量子力學(xué)發(fā)展起來之后。1928年Bloch（布洛赫）等在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了能帶理論，奠定了半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)。1947年Bardeen（巴?。?、Brattain（布萊頓）、Shockley（肖克萊）發(fā)明了晶體管，從而取代了真空電子管，奠定了20世紀(jì)半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)。對(duì)于新型半導(dǎo)體材料的探索和器件研究，依然是21世紀(jì)光電子學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)。比較有代表性的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先是自2004年Geim等人發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，以二硫化鉬、二硫化鎢等為代表的二維半導(dǎo)體材料，其光電性質(zhì)具有帶隙可調(diào)、層數(shù)依賴等特點(diǎn)，成為了新型探測(cè)器、光電轉(zhuǎn)換器件研究的熱點(diǎn)。其次是1999年以來以CH3NH3PbX3 （X=I， Br， Cl）等為代表的鈣鈦礦材料，其具有高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率，高的吸收系數(shù)，高的載流子遷移率以及長(zhǎng)的載流子壽命等優(yōu)點(diǎn)，適合于制備太陽能電池等光電器件。對(duì)這些材料的光電性質(zhì)的基礎(chǔ)研究，以及基于這些材料的光電器件研究，構(gòu)成了目前光電材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本欄目文章重點(diǎn)關(guān)注新型半導(dǎo)體材料中的激子－聲子耦合效應(yīng)，基于鈣鈦礦材料的光電探測(cè)器以及基于二維材料的光電極特性研究。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所張俊研究員系統(tǒng)闡述了半導(dǎo)體材料中的激子－聲子耦合理論。華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院李德慧教授報(bào)道了二維鈣鈦礦窄帶光電探測(cè)器最新研究進(jìn)展，該器件無需任何額外光學(xué)元件，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光波長(zhǎng)的鑒別功能。西北大學(xué)光子所徐新龍教授系統(tǒng)介紹了基于二維材料光電極的光電特性及其最新研究進(jìn)展。希望本欄目文章能夠拋磚引玉，為研究生進(jìn)入新型半導(dǎo)體材料的光電研究提供知識(shí)儲(chǔ)備，為進(jìn)一步深入二維材料光電理論和器件研究提供一定的思路。

【主持人】徐新龍，西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)研究所教授，博士生導(dǎo)師。

摘要：半導(dǎo)體的物理性質(zhì)很大程度受到激子－聲子耦合的影響，共振拉曼光譜是一種研究激子－聲子耦合的有力手段。文中首先介紹固體中的元激發(fā)（電子、聲子、激子）以及電子（激子）－聲子相互作用。隨后介紹激子－聲子相互作用對(duì)拉曼選擇定則的影響，二維層狀材料的層間振動(dòng)模式，以及與電子－聲子耦合相關(guān)的黃昆因子的理論。最后，介紹了基于激子－聲子耦合的聲子輔助熒光上轉(zhuǎn)換光制冷和光學(xué)聲子的可分辨邊帶拉曼制冷的基本理論。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體;激子－聲子耦合;共振拉曼散射;聲子冷卻;量子調(diào)控

中圖分類號(hào)：O469

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－03－004

Exciton－phonon coupling in semiconductors： Basic theory

ZHANG Jun1，2，3， LAI Jiamin1，2

Abstract： The physical properties of semiconductors are greatly influenced by exciton－phonon coupling. Resonance Raman spectroscopy is a powerful method to study exciton－phonon coupling. Firstly， this review briefly introduces the elementary excitation （electron， phonon， exciton） in solid and electron（exciton）－phonon interaction. Then? the influence of exciton－phonon interaction on Raman selection rules， the vibration mode between layers of two－dimensional layered materials， and the theory of Huang－Rhys factor related to electron－phonon coupling are discussed. Finally， the fundamental theories of phonon－assisted anti－Stokes photoluminescence upconversion optical cooling and resolved sideband Raman cooling of lattice phonon based on the exciton－phonon coupling are introduced.

Key words： semiconductors; exciton－phonon coupling; resonance Raman scattering; phonon cooling; quantum manipulation

半導(dǎo)體中存在的各種復(fù)雜現(xiàn)象主要是起源于其內(nèi)部含有大量的粒子和準(zhǔn)粒子（如電子、聲子等）以及它們之間的相互作用。當(dāng)材料的維度降低到與電子或聲子波長(zhǎng)相比擬的時(shí)候，由于量子限制效應(yīng)，半導(dǎo)體中的電子主要以激子的形式存在，而且聲子能帶也表現(xiàn)出與體材料非常不同的特性。因此，研究半導(dǎo)體中的電子（激子）－聲子相互作用對(duì)于研究半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)以及各種光電器件具有重要意義。

拉曼散射是一種靈敏、高效且無損的材料檢測(cè)手段，被廣泛應(yīng)用于晶體結(jié)構(gòu)及電子、聲子、光學(xué)性質(zhì)的研究。1928年，C.V.Raman在CCl4分子的光譜中首次觀測(cè)到拉曼散射［1］，根據(jù)散射前后的能量變化將拉曼散射分為斯托克斯散射（散射光能量降低）和反斯托克斯散射（散射光能量增大）。1960年，激光的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了拉曼光譜的發(fā)展，使其成為表征固體聲子物理的重要手段。聲子是晶格振動(dòng)的能量單元，因此通過散射的方式可以探測(cè)晶體中聲子的性質(zhì)。晶體中的聲子分為聲學(xué)聲子和光學(xué)聲子，聲學(xué)聲子引起的非彈性散射一般在5 cm-1以內(nèi)，又被稱為布里淵散射，而光學(xué)聲子引起的拉曼散射一般大于5 cm-1。當(dāng)激光能量與半導(dǎo)體中的電子能級(jí)（或激子能級(jí)）相匹配時(shí)，發(fā)生共振拉曼散射，不僅可以使某些拉曼模式的散射強(qiáng)度增大到原來的102～106倍，還可以獲得電子（激子）－聲子相互作用的信息，甚至可以觀察到原本禁戒的拉曼模式，打破選擇定則的限制。在第一節(jié)和第二節(jié)中我們簡(jiǎn)要介紹固體中的元激發(fā)（電子、聲子、激子）以及電子（激子）－聲子相互作用。第三節(jié)介紹激子－聲子相互作用對(duì)拉曼選擇定則的影響以及二維層狀材料的層間振動(dòng)模式。在第四節(jié)中將介紹與電子－聲子耦合相關(guān)的黃昆因子的理論。最后介紹基于激子－聲子耦合的拉曼制冷及聲子調(diào)控的基本理論。相關(guān)的最新實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展將在后續(xù)的《半導(dǎo)體中的激子－聲子耦合：實(shí)驗(yàn)進(jìn)展》中介紹。

1 晶體中的電子、聲子和激子

量子力學(xué)中，晶體的哈密頓量可以由晶格振動(dòng)部分，電子部分，電子－晶格相互作用部分構(gòu)成［2］：

H=Hions（Rj）+He（ri，Rj0）+He-ion（ri，δRj），（1）

這里，Rj0表示晶格原子的平衡位置，δRj表示原子相對(duì)于平衡位置的偏移量。首先，討論電子部分，考慮單個(gè)電子運(yùn)動(dòng)時(shí)，認(rèn)為電子處于晶格離子的周期性勢(shì)場(chǎng)V（r）=V（R+r）中運(yùn)動(dòng)，而其他電子產(chǎn)生的平均勢(shì)場(chǎng)被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，可以忽略。因此，電子的薛定諤方程為［2］

其中R*=[μe4/224πε20 ]為有效里德伯半徑，μ為電子－空穴的約化質(zhì)量。如圖1（b）所示，激子的存在使禁帶中導(dǎo)帶底附近出現(xiàn)了一系列激子能級(jí)，對(duì)應(yīng)吸收譜的本征吸收邊附近出現(xiàn)一系列吸收尖峰或分立譜線，隨著n增大形成連續(xù)能帶，對(duì)應(yīng)吸收系數(shù)的增大。激子由一對(duì)電子－空穴對(duì)組成，具有極化強(qiáng)度，當(dāng)和光波耦合時(shí)會(huì)在固體中形成一個(gè)激子極化波，有橫縱兩支，對(duì)應(yīng)圖1（c）中的ωT，ωL。橫激子波可以與光耦合劈裂成上下兩支，對(duì)應(yīng)的色散曲線如圖1（c）中的實(shí)線，形成一種新的量子態(tài)，稱為激子－極化激元（exciton－polariton）。激子－極化激元是一種遵從波色統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)粒子，具有半光－半物質(zhì)的特性。由于激子極化激元具有部分光子的特性，它具有很低的有效質(zhì)量;同時(shí)它擁有類似激子的強(qiáng)相互作用的玻色子特性。這些特點(diǎn)使人們可以利用半導(dǎo)體中的激子極化激元在室溫下實(shí)現(xiàn)波色－愛因斯坦凝聚［5-7］、低閾值極化激元激光器［8-9］、人工拓?fù)潢惤^緣體［10］和拓?fù)浼す馄鳎?1］。

2 電子－聲子，激子－聲子相互作用

在第1節(jié)中，分別討論了電子和晶格振動(dòng)部分的哈密頓量，但是，在某些情況下，比如電子態(tài)（或激子）參與的共振拉曼散射等情況下，電子－聲子相互作用項(xiàng)不能忽略，即He-ion（ri，δRj）。根據(jù)不同的作用機(jī)理，電子－聲子相互作用可以分為以下幾種［3］：

LA聲子與晶格畸變有關(guān)，通過晶格形變勢(shì)來描述晶格畸變。在不考慮電子能帶簡(jiǎn)并的情況下，與體積形變相比，LA聲子與剪切形變的關(guān)聯(lián)較弱，因此，只考慮晶格體積形變對(duì)電子能帶結(jié)構(gòu)的影響，則電子與LA聲子之間的相互作用的哈密頓量可表示為

其中ank為體積形變勢(shì)，體積形變引起的電子能帶結(jié)構(gòu)的改變?yōu)棣腅nk=ank（δV／V）。如果將晶格原子位移δR用聲子的產(chǎn)生和消滅算符表示，發(fā)現(xiàn)δR∝ω-1／2，而布里淵區(qū)中心的聲學(xué)聲子的色線關(guān)系可看作線性的，則δR∝q1／2。

TA聲子只與晶格原子之間的剪切運(yùn)動(dòng)相關(guān)，剪切形變不影響非簡(jiǎn)并帶的能量，而是降低晶格對(duì)稱性，提高布里淵區(qū)中高對(duì)稱點(diǎn)的簡(jiǎn)并度，需要根據(jù)具體的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體討論，比如可能存在價(jià)帶Γ點(diǎn)輕－重空穴帶的簡(jiǎn)并，或者在Si中存在導(dǎo)帶在Δ點(diǎn)的簡(jiǎn)并等。

在非中心對(duì)稱點(diǎn)的晶體中，由于壓電效應(yīng)，外界壓力會(huì)引起一個(gè)宏觀的極化電場(chǎng)，類似的，聲學(xué)模式的振動(dòng)也可以引起宏觀的振動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)，可表示為

與形變勢(shì)電子－聲學(xué)聲子相互作用的哈密頓量相比，Hpe中多了（1／q）項(xiàng)，來自于壓電電子－聲子相互作用中的庫侖相互作用項(xiàng)，因此，對(duì)于具有小波矢（長(zhǎng)波長(zhǎng)）的聲子壓電－電聲子相互作用更強(qiáng)，壓電電子－聲子相互作用是一種長(zhǎng)程相互作用，而形變勢(shì)電子－聲子相互作用是一種短程相互作用。

如果晶體原胞中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的原子，則原子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為光學(xué)模式，即光學(xué)聲子。光學(xué)聲子與晶格的宏觀畸變無關(guān)，而是表現(xiàn)為原胞內(nèi)的微觀扭曲，在非極性晶體中，光學(xué)模式的振動(dòng)通過改變?cè)性娱g的鍵長(zhǎng)鍵角來影響電子能帶結(jié)構(gòu)，稱為形變勢(shì)電子－光學(xué)聲子相互作用;極性晶體中，長(zhǎng)縱光學(xué)波（LO）相關(guān)的原胞內(nèi)的原子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)伴隨著極化電場(chǎng)的產(chǎn)生，類似于壓電電場(chǎng)作用，這種LO聲子引起的極化電場(chǎng)和電子之間的相互作用稱為Frhlich相互作用。

形變勢(shì)電子－光學(xué)聲子相互作用可以表示為：He-op=Dn，k（u／a0），其中Dn，k表示光學(xué)聲子形變勢(shì)，u表示光學(xué)模式振動(dòng)引起的原胞中原子間的相對(duì)位移，a0為晶格常數(shù)。He-op不依賴于聲子波矢，是一種短程相互作用。

除以上電子和布里淵區(qū)中心的聲子之間的相互作用外，還存在電子和布里淵區(qū)邊緣的聲子之間的相互作用，即谷間電子－聲子相互作用。布里淵區(qū)邊緣的聲子不能產(chǎn)生長(zhǎng)程電場(chǎng)，沒有類似Frhlich或壓電效應(yīng)的相互作用。

在低維半導(dǎo)體中，由于量子限制效應(yīng)電子主要以激子的形式存在。激子－聲子相互作用，在之前的綜述中已經(jīng)有過詳細(xì)介紹［12］，這里不再詳細(xì)介紹。在自由激子輻射復(fù)合發(fā)光過程中，由于自由激子的波矢不為零，可以與晶格振動(dòng)相互作用，發(fā)射聲子，對(duì)應(yīng)發(fā)光譜線中的聲子伴線。由于LO聲子引起的極化場(chǎng)最強(qiáng)，所以在激子輻射復(fù)合光譜中通常最容易觀察到LO聲子伴線。

共振效應(yīng)可以顯著增大拉曼散射截面，用于研究固體中的元激發(fā)。激子作為中間態(tài)參與共振拉曼散射時(shí)，散射概率表示為［13］

其中|n〉和|n′〉為激子中間態(tài)。共振情況下，相比于電子態(tài)作為中間態(tài)，激子作為中間態(tài)的阻尼更小，拉曼強(qiáng)度將顯著增強(qiáng)。在共振增強(qiáng)效應(yīng)下，可以觀察到許多有趣的現(xiàn)象，比如，Washington等人［14］在激子共振拉曼光譜中觀察到了電偶極禁戒模式的躍遷; 在GaAs［15］和CdS［16］中觀察到波矢依賴的電子-LO聲子耦合作用，并通過與激子能級(jí)的共振觀察到拉曼禁戒的LO聲子模式;在CdS中觀察到9階LO聲子的高階拉曼散射模式［17-18］等。

3 激子－聲子耦合與拉曼散射光譜

3.1 拉曼散射基本原理

對(duì)拉曼散射過程通常有兩種理解：經(jīng)典的電磁理論模型認(rèn)為光與物質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)引起一個(gè)宏觀的電偶極矩P=[AKχ～]E，其中[AKχ～]為晶格極化張量，E為入射光電場(chǎng)分量。如果寫成矩陣分量的形式，再將[AKχ～]展開成簡(jiǎn)正坐標(biāo)Qq（對(duì)應(yīng)晶格振動(dòng)頻率為ωq）的泰勒級(jí)數(shù)，電極化張量[AKχ～]的分量χij可表示為［19］

這里ωi，ωph和ωs=ωi±ωph分別為入射光子，聲子和散射光子頻率， m′和m是能量為Em′和Em的中間態(tài)，γm′和γm代表線寬，HeL表示激子－聲子相互作用項(xiàng)，HeR表示激子－輻射場(chǎng)相互作用。以Cu2O為例［22］，由于其導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)牟ê瘮?shù)都具有偶宇稱，因此1s激子是電偶極躍遷禁戒的，其他s與d對(duì)稱的激子也無法在吸收譜中觀察到，也就是說對(duì)于激子，奇宇稱的p激子是偶極躍遷允許的。這些能級(jí)是電四極矩或磁偶極躍遷允許的，但在實(shí)驗(yàn)中這些過程會(huì)被p對(duì)稱的電偶極矩躍遷掩蓋無法被觀察到。在Cu2O的布里淵區(qū)中心的聲子模式多具有奇宇稱，無法在拉曼光譜中觀察到。如果HeL中包含奇宇稱的聲子，s與d對(duì)稱的激子可以參與到共振散射過程中，即通過與s態(tài)的激子能級(jí)共振，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本來拉曼禁戒模式的觀察。

3.3 偏振選擇定則

此時(shí)，拉曼強(qiáng)度不再依賴于拉曼張量，而是受入射光和散射光的偏振方向決定，所有模式表現(xiàn)出相同的偏振依賴性質(zhì)。

3.4 層間聲子振動(dòng)模式

隨著維度的降低，特別是當(dāng)受限維度與電子的平均自由程或者聲子的平均自由程相比擬的時(shí)候，半導(dǎo)體中的電子波函數(shù)和聲子波函數(shù)會(huì)受到量子限制效應(yīng)的影響，展現(xiàn)出一系列奇特的性質(zhì)。特別是在二維半導(dǎo)體，如量子阱、超晶格以及二維范德華材料中，量子限制效應(yīng)使半導(dǎo)體中的電子-聲子耦合變得更為豐富，比如二維半導(dǎo)體超晶格中的折疊聲子模效應(yīng)、聲子瓶頸效應(yīng)，以及二維層狀半導(dǎo)體中的強(qiáng)的層間聲子模。二維層狀材料的層內(nèi)原子通過共價(jià)鍵結(jié)合，而層與層之間通過微弱的范德華力結(jié)合，典型材料就是石墨。自從2004英國(guó)科學(xué)家利用機(jī)械剝離的方法從體石墨上成功制備單層和多層石墨烯后［24］，二維材料的研究已經(jīng)拓展到其他層狀材料，如二維半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、拓?fù)洳牧系?。二維材料層與層之間微弱的范德華力極大的影響了材料的物理性質(zhì)，比如單層二維MoS2為直接帶隙半導(dǎo)體，而二層和多層MoS2卻表現(xiàn)出間接帶隙的特點(diǎn)。對(duì)聲子而言，除了層內(nèi)共價(jià)鍵連接的原子間的高頻聲子外，還存在著層與層之間的低頻聲子模（一般小于50cm-1）。層間聲子模式是二維材料的特征模式，其頻率和強(qiáng)度依賴于層間耦合力常數(shù)、樣品層數(shù)以及層與層之間的堆垛方式。

以2H型的過渡金屬二硫族化合物（MX2）為例，對(duì)二維材料的層間聲子振動(dòng)模式進(jìn)行介紹。MX2體材料具有D6h對(duì)稱性［25］，由于空間反演對(duì)稱性，奇數(shù)層具有D3h 對(duì)稱性，偶數(shù)層具有D3d 對(duì)稱性。單層MX2原胞中有3個(gè)原子，Γ點(diǎn)有9個(gè)振動(dòng)模［26］：Γ=2A″2+A′1+2E′+E″，其中一個(gè)A″2 和一個(gè)E′為聲學(xué)模式，另一個(gè)A″2 為紅外活性，A′1 和E″為拉曼活性。在雙層或體材料中［27］，單層的9個(gè)振動(dòng)模式會(huì)分裂成兩個(gè)模式，比如A″2 在雙層MX2中劈裂成A31g 和A2u，在體材料中劈裂成B22g 和A2u;而E′在雙層中劈裂為E3g 和Eu，在體材料中劈裂成E22g 和E1u。A31g／B22g 和E3g／E22g 分別對(duì)應(yīng)雙層和體材料中的呼吸模（LBM）和剪切模（SM），它們分別反映了兩個(gè)（X－M－X）原子層在垂直和平行于原子層面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

剪切模和呼吸模的頻率依賴于層數(shù)，可以作為鑒別層數(shù)的便捷方法［28］。線性鏈模型是一種常用的計(jì)算不同層數(shù)超低頻的呼吸模和剪切模的頻率的模型。在線性鏈模型中，每一層原子都被看作線性鏈中一個(gè)等效的原子，為了簡(jiǎn)化，僅考慮最近鄰層與層之間的相互作用，取單位面積力常數(shù)為α，α‖ 和α⊥分別為平面內(nèi)和平面外的力常數(shù)。在N層面內(nèi)各向同性的材料中，有N-1個(gè)平面內(nèi)振動(dòng)的雙重簡(jiǎn)并的剪切模，有N-1個(gè)平面外振動(dòng)的呼吸模。通過求解一個(gè)N×N的動(dòng)力學(xué)矩陣，可以得到剪切模和呼吸模的頻率［29-31］：

其中，j=1，2，3，…，N-1，體材料的振動(dòng)模式頻率分別為ω（Sbulk）=[1/πc][KF（][α‖/μ][KF）]和ω（LBbulk）=[1/πc][KF（][α⊥/μ][KF）]。SN1和LBN1分別表示剪切模和呼吸模中頻率最高的一支，而SNN-1和LBNN-1分別表示剪切模和呼吸模中頻率最低的一支。按照兩層中的剪切模和呼吸模頻率歸一化，則體材料剪切模呼吸模對(duì)應(yīng)[KF（]2[KF）]，對(duì)應(yīng)N層中剪切模呼吸模歸一化的頻率如圖2（c）（d）所示。由此，如果我們知道體材料（或兩層）的剪切模和呼吸模的頻率，就可以得到N層中N-1個(gè)呼吸模和剪切模的頻率，用于鑒別二維層狀材料的層數(shù)。

4 電子－聲子耦合與黃昆因子

晶體中的電子-聲子耦合可以表現(xiàn)出不同的光學(xué)性質(zhì)并在光譜中體現(xiàn)出來，一般存在兩種常見的與電子－聲子耦合相關(guān)的現(xiàn)象：①熒光譜的聲子伴線或聲子邊帶，通常發(fā)生在含有雜質(zhì)或者缺陷的半導(dǎo)體的輻射復(fù)合過程中，黃昆和Rhys在1950年發(fā)表的“F－中心的光吸收和無輻射躍遷理論”中詳細(xì)討論了這一過程［32］;②拉曼譜中的高階LO聲子，與材料的本征性質(zhì)有關(guān)，但對(duì)缺陷和雜質(zhì)敏感［18］，通常通過拉曼強(qiáng)度理論討論。

4.1 黃－里斯（Huang－Rhys）理論

半導(dǎo)體中的深能級(jí)、固體中的發(fā)光中心等晶體中雜質(zhì)或缺陷的局域電子態(tài)與周圍晶格間存在著相互作用，使周圍的晶格原子的平衡位置發(fā)生了移動(dòng)，如圖3（a）所示;當(dāng)電子處于不同的電子態(tài)時(shí) （如基態(tài)、激發(fā)態(tài)），原子的平衡位置是不同的，這種晶格畸變現(xiàn)象稱為晶格弛豫［32］。由于晶格弛豫的影響，使初、末態(tài)振動(dòng)波函數(shù)不再相互正交，對(duì)應(yīng)躍遷前后振動(dòng)量子數(shù)變化，即多聲子躍遷。

6 總結(jié)和展望

激子－聲子相互作用在半導(dǎo)體材料中扮演著非常重要的角色。在本文的討論中尚未涉及非線性過程和動(dòng)力學(xué)過程，而這些過程在利用超快脈沖激光激發(fā)下會(huì)表現(xiàn)出很多有趣的現(xiàn)象，也為激子和聲子的相干調(diào)控提供了可能。但是需要注意的是，在超快激光激發(fā)下，由于激發(fā)光的單色性變差，因此一些低頻聲子和激子精細(xì)結(jié)構(gòu)的信息不能被得到。最近對(duì)晶體中聲子的手性研究取得了一些進(jìn)展，這為進(jìn)一步研究自旋和手性聲子耦合，以及拓?fù)渎曌訉W(xué)提供了廣闊的空間。在器件方面，隨著半導(dǎo)體器件尺寸的縮小和集成電路密度的提高，器件 中單位面積所產(chǎn)生的熱量增加會(huì)極大影響器件的工作性能，因此需要高的熱導(dǎo)來加速傳熱。相反，在熱電子材料中，希望更低的熱導(dǎo)率來得到更高的熱電轉(zhuǎn)化效率。因此，進(jìn)一步仔細(xì)研究低維量子體系中的聲子輸運(yùn)對(duì)于解決這些問題十分關(guān)鍵。 此外，利用先進(jìn)材料加工技術(shù)，可以設(shè)計(jì)和加工各種聲子晶體，這里面也有非常豐富的物理知識(shí)，如拓?fù)渎曌訉W(xué)和拓?fù)渎曌悠骷?/p>

在量子調(diào)控和量子器件方面，聲子也扮演著非常重要的角色。由于晶格聲子的作用力是非常大的原子間和化學(xué)鍵作用力，而其有效質(zhì)量是幾個(gè)原子的質(zhì)量，因此其振動(dòng)頻率可以高達(dá)幾個(gè)甚至幾十個(gè)THz。Lee等人［60-61］利用金剛石中C－C鍵振動(dòng)光學(xué)聲子成功演示了室溫宏觀量子糾纏和 THz 頻率的量子信息處理，瑞士EPFL的Galland研究組［60-61］在金剛石單聲子相干和操控方面取得了良好的進(jìn)展。但是如何進(jìn)一步利用其量子基態(tài)特性進(jìn)行量子測(cè)量和量子計(jì)算仍然需要繼續(xù)研究。與聲子冷卻相反的就是聲子的放大和激射，這方面的挑戰(zhàn)是探索新技術(shù)和新原理來實(shí)現(xiàn)寬帶、連續(xù)可調(diào)、室溫工作和高功率的 THz 激光器。

激光冷卻宏觀樣品在航空航天探測(cè)器冷卻、無振動(dòng)制冷器和自冷卻激光器等方面有著重要的應(yīng)用，是人們夢(mèng)寐以求的制冷技術(shù)。目前人們已經(jīng)在稀土摻雜晶體和半導(dǎo)體中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了液氮溫區(qū)以上（大于 77 K） 的激光冷卻，未來的重要方向和挑戰(zhàn)是如何突破低于 77 K 和液氦溫區(qū)激光制冷的瓶頸，以及實(shí)現(xiàn)自冷卻的無熱激光器，相關(guān)的理論仍需進(jìn)一步發(fā)展。

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（編 輯 張 歡，邵 煜）

作者簡(jiǎn)介：

張俊，中科院半導(dǎo)體所研究員，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中國(guó)物理學(xué)會(huì)光散射專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)電子學(xué)會(huì)青年委員會(huì)半導(dǎo)體專業(yè)委員會(huì)委員，《光散射學(xué)報(bào)》和《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)》編委。本科畢業(yè)于內(nèi)蒙古大學(xué)物理系，2010年在中科院半導(dǎo)體所獲博士學(xué)位， 之后到新加坡南洋理工大學(xué)物理系從事博士后研究，2015年獲國(guó)家高層次人才計(jì)劃，2018年獲首屆北京杰青項(xiàng)目資助。張俊博士在低維半導(dǎo)體材料的激子－聲子耦合研究方面做出了一系列成果，已在Nature，Nature Photonics，Nano Letters等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，撰寫英文專著2章，授權(quán)美國(guó)專利3項(xiàng)。

收稿日期：2020－02－22

基金項(xiàng)目：北京市杰出青年科學(xué)基金（JQ18014）;科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0301200， 2017YFA0303401）

作者簡(jiǎn)介：張俊，男，內(nèi)蒙古卓資縣人，中科院半導(dǎo)體研究所研究員，博士生導(dǎo)師，從事半導(dǎo)體聲子物理研究。