一种测量双层石墨烯薄膜体系中声子-激子耦合强度的方法

本发明涉及一种测量双层石墨烯薄膜体系中声子-激子耦合强度的方法。

背景技术：

1、单层二维石墨烯薄膜是一种没有能隙且具有线性能量分布的半导体。这个特性赋予了石墨烯薄膜良好的导电性。双层石墨烯同样是零缝隙半导体，它具有抛物线能量分布特性，拥有更强的载流子迁移率。国内外许多学者围绕双层石墨烯薄膜的性质开展了系列研究。2007年，巴西的l.m.malard教授等人提出了用拉曼散射来探测双层石墨烯的电子结构。2010年，美国加州大学伯克利分校的wang feng教授等人报道了双层石墨烯体系中多体fano共振行为[2]。有学者在室温下观察双层石墨烯体系中具有长自旋弛豫时间[3]。朱卡的教授等人指出垂直于双层石墨烯薄膜平面的法向电场可以打破其对称性，从而改变其电子和振动特性，导致电子带隙开放。因此，离散的声子和电子-空穴激子(简称激子)可以通过声子与电子态的相互作用进行耦合，进而产生了一个新的杂化声子系统[4]。然而，体系中声子与激子的耦合强度却难以直接计算，在一定程度上限制了人们对双层石墨烯体系内部物理机制的深入研究。因此，提出一种可以测量声子与激子耦合强度的方法十分必要。

2、[1]l.m.malard,j.nilsson,d.c.elias,j.c.brant,f.plentz,e.s.alves,a.h.castro neto,and m.a.pimenta，probing the electronic structure of bilayergraphene by raman scattering,physics review b 76(20),201401(r)(1-4),2007.

3、[2]tsung-tatang,yuanbo zhang,cheol-hwan park,baisong geng,caglargirit,zhao hao,michael c.martin,alex zettl1,michael f.crommie1,steveng.louie,y.ron shen and feng wang,a tunable phonon–exciton fano systeminbilayer grapheme,naturenanotechnology.5,32-36(2010).

4、[3]t.-y.yang,j.balakrishnan,f.volmer,a.avsar,m.jaiswal,j.samm,s.r.ali,a.pachoudeng,m.popinciuc,g.güntherodt,b.beschoten,and b.observation oflong spin-relaxation times in bilayer graphemeatroomtemperature,physics reviewletters 107(4),047206(1-4)(2011).

5、[4]wenhao wu,kadi zhu,nonlinear coherent optical responses oftunableoptomechanical systembased on abilayer grapheme,optics communications 342(2015)199–203.

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种测量双层石墨烯薄膜体系中声子-激子耦合强度的方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种测量双层石墨烯薄膜体系中声子-激子耦合强度的方法，其特征在于：包括以下步骤；

3、1)用频率为ωpu的强泵浦光epu和频率为ωpr的弱探测光epr共同作用在双层石墨烯薄膜上，使得电子与振动模之间产生可调谐的参数耦合；双层石墨烯薄膜体系等效为离散的被电子云修饰的二能级体系；在泵浦场频率ωpu位置的自旋波近似下，体系的总哈密顿量可表示为：

4、

5、表示声子能量的哈密顿量；表示电子-空穴对激子能量的哈密顿量；表示声子-激子的相互作用哈密顿量；表示泵浦光和探测光与声子的相互作用哈密顿量；

6、其中ωn表示石墨烯的振动频率，δn＝ωn-ωpu为离散两能级和泵浦场的频率失谐量，δexk＝ωexk-ωpu是激子频率，dk+和dk分别表示激子的产生和湮没算符，gk为g模声子-电子态的耦合强度，epu和epr分别表示为泵浦场和探测场的慢变波包振幅，μ为激子的电偶极矩，为泵浦场rabi频率，δ＝ωpr-ωpu为探测-泵浦失谐量；定义p＝σ01，∑kgkdk＝ξ-，

7、利用海森堡运动方程和对易关系[σz,σ01]＝-σ01，[σz,σ10]＝σ10，[σ10,σ01]＝2σz＝w，可得到朗之万方程组：

8、

9、

10、

11、其中γ1表示激子的弛豫速率，γ2为激子的退相速率，γ为电子-空穴对激子驰豫速率，g为声子与激子在中心频率ωex处的耦合强度；δex＝ωex-ωpu。

12、为了求解方程组(2)-(4)，作近似处理：

13、w(t)＝w0+w1e-iδt+w-1eiδt,p(t)＝p0+p1e-iδt+p-1eiδt,ξ-(t)＝ξ0+ξ1e-iδt+ξ-1eiδt；其中|w0|＞＞|w1|,|w-1|、|p0|＞＞|p1|,|p-1|、|ξ0|＞＞|ξ1|,|ξ-1|；将近似处理的方程代入方程(2-4)，得到反转粒子数w0和参数p-1的表达式：

14、

15、

16、则该体系的四波混频信号可表示为：

17、

18、已知：

19、

20、

21、

22、

23、

24、

25、c5＝γ1+iδ

26、

27、

28、2)将四波混频表达式进行数值化演算；调节激发波长、泵浦强度和泵浦-探测失谐量，从而得到四波混频信号随这些参量的动态演化图；在得到的双峰结构四波混频谱中，两峰的间距大小等于声子-激子耦合强度的2倍。

29、上述的测量双层石墨烯薄膜体系中声子-激子耦合强度的方法，优选的，所述强泵浦光epu的泵浦强度ωpu2在0thz2到8.39thz2之间。

30、与现有技术相比，本发明的优点在于:本发明的方法可以方便地确定双层石墨烯薄膜体系中声子-激子耦合强度，为人们对双层石墨烯体系内部物理机制的深入研究提供依据。

技术特征：

1.一种测量双层石墨烯薄膜体系中声子-激子耦合强度的方法，其特征在于：包括以下步骤；1)用频率为ωpu的强泵浦光epu和频率为ωpr的弱探测光epr共同作用在双层石墨烯薄膜上，使得电子与振动模之间产生可调谐的参数耦合；

2.根据权利要求1所述的测量双层石墨烯薄膜体系中声子-激子耦合强度的方法，其特征在于：所述强泵浦光epu的泵浦强度ωpu2在0thz2到8.39thz2之间。

技术总结
一种测量双层石墨烯薄膜体系中声子‑激子耦合强度的方法，其特征在于：包括以下步骤；1)用频率为ω<subgt;pu</subgt;的强泵浦光E<subgt;pu</subgt;和频率为ω<subgt;pr</subgt;的弱探测光E<subgt;pr</subgt;共同作用在双层石墨烯薄膜上，使得电子与振动模之间产生可调谐的参数耦合；2)将四波混频表达式进行数值化演算；调节激发波长、泵浦强度、泵浦‑探测失谐量，从而得到四波混频信号随这些参量的动态演化图；在得到的双峰结构四波混频谱中；两峰的间距大小等于声子‑激子耦合强度的2倍。本发明的方法可以方便地确定双层石墨烯薄膜体系中声子‑激子耦合强度，为人们对双层石墨烯体系内部物理机制的深入研究提供依据。

技术研发人员：李建波,姜阳阳,夏晓霜,龚博
受保护的技术使用者：中南林业科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11