Kvanteinterferens rettet chiral Raman-spredning i 2-D-enantiomerer

Raman-spredningsspektroskopi er en nødvendig og nøjagtig metode til at karakterisere gitterstruktur og probe elektron-foton- og elektron-fonon-interaktioner. I kvanteriget kan elektroner i grundtilstanden exciteres til mellemenerginiveauer af fotoner og derefter kobles til fononer for at udsende fotoner med ændrede energier. De elementære Raman-processer kan interferere med hinanden via mulige veje for at give anledning til spændende spredningseffekter. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Nature Communications , Shishu Zhang og et forskerhold i nanokemi og materialevidenskab i Kina beskrev kvanteinterferens, der kan føre til signifikant chiral Raman-respons i monolag overgangsmetal dichalcogenider med triklinisk symmetri og viste en stor cirkulær intensitetsforskel for monolag rhenium dichalcogenid. Resultaterne afslørede chirale Raman-spektre som en ny manifestation af kvanteinterferens til Raman-spredningsprocesser for at inspirere til induktion af chirale optiske responser i materialer.

Kvanteinterferens

Fononer kan kobles til foto-exciterede elektroner under en Raman-spredningsproces for at slappe af til grundtilstanden ved at udsende spredte fotoner. Energiforskellen mellem de indfaldende og spredte fotoner kan give frekvensen af ​​en Raman-tilstand og afsløre den strukturelle information om materialer. Forskere kan også mere effektivt estimere intensiteten via elektron-foton- og elektron-fonon-interaktioner. Kvanteinterferens kan forekomme mellem forskellige elementære spredningsveje for at resultere i regulering af uelastisk spredningseffektivitet. Materialeforskere har kun rapporteret kvanteinterferenseffekten i Raman-spredning for todimensionelle (2D) lagdelte materialer, herunder elektrostatisk dopet grafen og få lag molybdæn-ditellurid. Mens kvanteinterferens er udfordrende at observere, er det vigtigt at forstå grundlæggende interaktioner mellem lysstof for potentielt at regulere lysspredning i materialer. I dette arbejde har Zhang et al. brugt Rhenium dichalcogenid (ReX_2, hvor X er lig med svovl eller selen) som et lagdelt overgangsmetal dichalcogenidmateriale med triklinisk symmetri. Forskere har vist, hvordan Re-atomerne i ReX₂ (X =svovl eller selen) krystaller flyttet væk fra metalsteder for at danne Re₄ parallelogrammer for at danne en forvrænget krystalstruktur og give anledning til anisotropiske egenskaber i planet, herunder bærermobilitet, fotoluminescens og Raman-spredning.

Eksperimenterne

Forskere udforsker stadig interaktionerne mellem fotoner, elektroner og fononer under processen med chiral Raman-spredning. Zhang et al. rapporterede den chirale Raman-spredning observeret i monolag ReS₂ og ReSe₂ exciteres af cirkulært polariseret lys. Holdet inducerede stor cirkulær intensitet via kvanteinterferens mellem førsteordens Raman-processer ved forskellige K-punkter i Brillouin-zonen. De beregnede chirale Raman-spektre baseret på kvanteinterferenseffekten stemte godt overens med eksperimenterne. I den optiske opsætning til chirale Raman-spredningsmålinger brugte de en kvartbølgeplade til at producere højrehåndet eller venstrehåndet cirkulær polarisering til excitation. Det spredte lys kunne passere gennem den samme kvartbølgeplade til opsamling uden en analysator. Under eksperimenterne har Zhang et al. mekanisk eksfolieret et enkeltlags ReS₂ på et smeltet silicasubstrat og opnåede optiske og atomkraftmikroskopibilleder. De noterede tykkelsen af ​​ReS₂ monolag og beregnede egenvektorerne for de Raman-aktive vibrationstilstande via tæthedsfunktionsteori. På grund af sin trikliniske symmetri, lagdelte ReX₂ havde to lodrette orienteringer. På samme måde indeholdt chirale Raman-spredningsspektre af monolaget to forskellige orienteringer, som Zhang et al. skelnes ved hjælp af ringformet mørkfelt-scanningstransmissionselektronmikroskopi. For yderligere at forstå chiral Raman-spredning udforskede teamet spredningseffektiviteten af ​​ReS₂ (+) og ReS₂ (-), som funktion af rotationsvinklen for kvartbølgepladen. Chiralitet i to dimensioner opstod, når distinkte enantiomerer er begrænset til et plan; metoden, hvor chirale Raman-responser opstår fra det mikrokosmiske syn på elektron/foton og elektron/fonon-interaktioner, er dog stadig ikke forstået i dette tilfælde.

Teoretiske beregninger og chiral Raman-respons

For at beregne den store cirkulære intensitetsforskel observeret i ReS_2, the team measured the first-order Raman scattering via third-order perturbation theory. The scientists calculated the Raman intensity and Raman tensor via the electronic band structure and phonon dispersion of ReS_2. The results of the calculated Raman spectra showed how chiral Raman scattering of ReS₂ arose from the interference effects between all possible quantum pathways of elementary transitions. The scientists noted that while quantum interference effect in Raman scattering was reported in other 2D materials, this was a first-in-study outcome, leading to a pronounced chiral Raman response. The team showed how chiral Raman scattering was also observed in other triclinic 2D layered materials, such as ReSe₂ , where the crystal structure of ReSe₂ had similarities to ReS_2.

Outlook

In this way, Shishu Zhang and colleagues described how quantum interference in Raman scattering can provide a strong chiral response in 2D enantiomers of single-layer triclinic ReX₂ where X equaled sulfur or selenium. The team noted how Raman scattering efficiencies of left-handed circular polarization and right-handed circular polarization excitations could be clearly distinguished and found to depend on Raman modes and their excitation photon energies. The findings revealed how quantum interference can lead to a pronounced chiral response of Raman scattering in materials. The team showed that quantum interference can be a generic effect in inelastic optical scattering, evident as a constructive or destructive interference, dominant more so when the excitation photon energy is larger than the bandgap of materials. The results are applicable to bulk triclinic crystals such as ReS₂ and ReSe₂ . + Udforsk yderligere

Controlling electrons and vibrations in a crystal with polarized light

© 2022 Science X Network