微小的材料隐藏着巨大的谜团，其解决方案可能会带来下一代电子产品。由日本研究人员领导的一项国际合作在对二硒化钼的分析中解决了神秘泛音信号的谜团，二硒化钼是一种原子级薄晶格，其体积庞大的三维形式具有独特的理想特性。

他们于 7 月 25 日在Nature Communications上发表了他们的研究结果。

该化合物属于类似的二维半导体家族，称为过渡金属二硫属化物 (TMD)单层，它们都具有包含所谓谷的电子能带结构。TMD 晶格被组织成六边形，对应的波向量，称为 k 空间，沿着边。k空间的侧中心点称为“M点”，六个角称为“K(-K)点”。

山谷是六边形拐角处电子带的下降和上升，能量或携带信息的粒子可以移动以使材料发生作用。然而，间隔活动，特别是与电子散射有关的活动，仍然难以捉摸。在这个过程中，声子或表现为振动的能量单位使电子以超快的速度在间隔空间中分散和过渡状态。

东京工业大学材料与结构实验室博士后研究员、共同通讯作者 Soungmin Bae 表示，如果可以控制这种谷极化以诱导或降低特定特性，那么 TMD 将成为先进技术最有希望的候选者。Valley 和电子产品的潜力相结合，形成了这个利基领域的名称：Valleytronics。

“为了建立对与声子介导的间隔散射过程相关的超快动力学的基本理解，我们使用亚 10 飞秒 - 10 万亿分之一秒 - 超短脉冲激光器进行了泵浦探测光谱，并发现了有趣的声子泛音信号光调制，”Bae 说。“这些信号在 TMD 社区中已经众所周知，但起源尚不清楚，所以我们最初想要回答的问题是，‘为什么我们会观察到这样的泛音信号?’”

泵浦探针光谱法涉及用两部分的超短激光脉冲照射 TMD 样品。泵是激发 TMD 的强光束，导致系统振荡，就像在池塘里扔石头产生同心波一样。该探针是一种较弱的光束，通过改变系统的某些光学常数(例如其吸收和反射量)来跟踪诱导振荡(晶格振动的波，也称为声子)的时间演变。

研究人员看到了几个信号，可视化为光调制，来自单层 TMD 的偶数和奇数声子振荡。他们分析了声子的对称性并使用了第一性原理计算——或超级计算机驱动的评估，描述了系统中每个原子核和电子的量子力学状态和动力学，从中可以提取特定组件的细节——揭示只有与 M 点声子的对称反射相比，K 点处的纵向声子可以产生观察到的奇数阶信号，因为它不对称地调制激光，而 M 点声子的对称反射只会产生偶数泛音。

“K点纵向声子负责单层二硒化钼中的超快间隔散射，”横滨国立大学工程科学研究生院教授、共同通讯作者Jun Takeda说。“通常，K 点声子无法调制光学特性，因为入射光的波矢(方向和幅度)与声子的波矢之间存在很大的不匹配。”

武田表示，然而，在 TMD 中，二维晶格的高度对称性允许 K 点声子调制光学响应并产生多个频率的信号。

“这项工作证明了将超快光谱与对称性分析和第一性原理计算相结合的方法对于揭示谷电子材料中间隔散射过程的基本物理学的重要性，”横滨国立大学研究生院教授、共同通讯作者片山育文说。工程科学。

“接下来，我们希望将这些方法扩展到其他奇异的二维材料系统，以用于未来的电子和谷电子应用，并建立在超快时间尺度上操纵光学和物理特性的方法。”