新型半导体纳米结构中负质量电子的影响

诸平

A red laser beam impinges on the atomically thin crystal WSe₂, which converts the red light of the laser into a blue glow. Credit: Felix Hofmann

据德国雷根斯堡大学（University of Regensburg）2021年9月17日提供的消息，由雷根斯堡大学实验与应用物理研究所（Institute of Experimental and Applied Physics at the University of Regensburg）的林凯强博士（Dr. Kai-Qiang Lin音译）和约翰·勒普顿（John Lupton）教授领导的一个大型国际研究合作，已经能够测量具有负质量的电子（electrons with negative mass）在新型半导体纳米结构（novel semiconductor nanostructures）中的影响（Effect of electrons with negative mass in novel semiconductor nanostructures）。此国际合作团队包括来自美国伯克利大学和耶鲁大学、英国剑桥大学和日本筑波大学的科学家。

在日常生活中，许多事物都是我们所熟悉的正数，例如一个物体的重量。为什么物质似乎总是具有正质量是物理学未解之谜之一。我们现在可能已经几乎习惯了负利率的概念，但如果质量变为负的会发生什么呢？

牛顿力学用著名的公式来描述结果:力=质量与加速度之积（F=ma）。如果一个力作用在一个物体上，它就会加速。但如果你试图跳跃式启动一辆负质量的车，它将会向你移动!同样，一个质量为负的高尔夫球落入水中不会因为摩擦而减速，相反，它下沉的速度会越来越快！

我们所知道的物质基本上是由三种基本粒子组成的，原子核中有重的质子和中子，以及核外较轻电子。一般来说，物体的重量是由原子核决定的。原子核的质量是一个固定的量，而电子的有效质量是由它们所运动的物质的组成决定的，其质量直接影响材料的电子性能。

Illustration of negative mass using a golf ball in a glass of water. The fall of a conventional golf ball is slowed down by the water. A golf ball of negative mass, on the other hand, would be accelerated by the frictional resistance. Credit: Felix Hofmann

插图是一个负质量的高尔夫球在一杯水中的下沉情况，传统高尔夫球的下落会被水减慢。但是，一个负质量的高尔夫球，会因摩擦阻力而加速下沉。可以查看相关视频，了解情况。

我们都在驾校学过，刹车距离随速度呈二次曲线增长，这是牛顿公式的另一个结论:汽车的动能随速度v的平方而增加，即E= mv²/2。然而，如果质量m是负的，粒子(如电子)的能量会随着速度的增加而减少，“制动距离（braking distance）”也会减少！

当一个电子穿过一种物质时，它经常与其他电子和原子核相撞。就像开车一样，这种碰撞在正质量的情况下会导致运动减速。另一方面，负质量的电子也会失去能量，但因此会加速。研究人员现在第一次能够精确地观察到这种效应。

雷根斯堡大学的科学家们使用了一种新型半导体材料，单原子厚的二硒化钨WSe₂晶体薄片。

当材料受到激光照射时，它开始发光:一个电子吸收激光的能量，然后以材料特有的颜色——红色再次发射出来。这种颜色对应于半导体中电子的基本能量。就像水总是向下流动一样，人们会认为具有更高能量的电子总是倾向于这个最低的基本能量。此半导体应该总是发出红光。

然而，该研究小组观察到了一个惊人的效果。当用红色激光照射时，电子不仅像预期的那样发出红光，而且还显示出微弱的蓝光。低能量的红光因此被转换成高能量的蓝光，这是一种非凡的效果。通过仔细观察这种蓝光的颜色分布和亮度，即光谱，可以得出这样的结论:蓝光来自于负质量的电子。这一意外的实验发现可以通过详细的电子结构量子力学计算得到证实，这是首次以这种形式进行的计算。

目前，这一发现看起来更像是一个科学上的奇怪现象，但科学家们已经有了一些可能的应用。例如，这个概念可能有助于超高速计算机的开发，在超高速计算机中，电子几乎没有阻力地移动。从正质量到负质量的转变也产生了所谓的奇异点（singularities）。这些奇异点类似于在计算器上尝试将某数字除以0所产生的奇异点，和宇宙学中的黑洞并不是完全不同。

最后，由于半导体中的电子可以明显地假定离散的能态（discrete energy states），就像在原子中一样，应该有可能将原子量子光学的概念直接转移到半导体中。例如，这可以用于开发新的电子元件，转换光的波长，存储甚至放大光，或作为光学开关。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文(Nature Communications)或者相关报道。 

Kai-Qiang Lin, Chin Shen Ong, Sebastian Bange, Paulo E. Faria Junior, Bo Peng, Jonas D. Ziegler, Jonas Zipfel, Christian Bäuml, Nicola Paradiso, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Christoph Strunk, Bartomeu Monserrat, Jaroslav Fabian, Alexey Chernikov, Diana Y. Qiu, Steven G. Louie, John M. Lupton. Narrow-band high-lying excitons with negative-mass electrons in monolayer WSe₂. Nature Communications, 2021, Volume 12, Article number: 5500. DOI: 10.1038/s41467-021-25499-2. Published: 17 September 2021

Abstract

Monolayer transition-metal dichalcogenides (TMDCs) show a wealth of exciton physics. Here, we report the existence of a new excitonic species, the high-lying exciton (HX), in single-layer WSe2 with an energy of ~3.4 eV, almost twice the band-edge A-exciton energy, with a linewidth as narrow as 5.8 meV. The HX is populated through momentum-selective optical excitation in the K-valleys and is identified in upconverted photoluminescence (UPL) in the UV spectral region. Strong electron-phonon coupling results in a cascaded phonon progression with equidistant peaks in the luminescence spectrum, resolvable to ninth order. Ab initio GW-BSE calculations with full electron-hole correlations explain HX formation and unmask the admixture of upper conduction-band states to this complex many-body excitation. These calculations suggest that the HX is comprised of electrons of negative mass. The coincidence of such high-lying excitonic species at around twice the energy of band-edge excitons rationalizes the excitonic quantum-interference phenomenon recently discovered in optical second-harmonic generation (SHG) and explains the efficient Auger-like annihilation of band-edge excitons.