Exciton dynamics in monolayer materials revealed by direct observation of dark exciton states

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K20354
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0202:Condensed matter physics, plasma science, nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: Kusaba Satoshi 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 助教 (00961640)
• Project Period (FY): 2022-08-31 – 2024-03-31
• Keywords: 励起子 / 原子層物質 / 超高速ダイナミクス / 相変化 / フォノン / テラヘルツ / 和周波励起

Outline of Final Research Achievements

In this project, we performed some types of ultrafast spectroscopies in van-der-Waals layered materials to investigate the whole relaxation dynamics including both bright and dark excitons. (a) We investigated carrier dynamics in monolayer WSe2 under strong excitation. The excitation intensity dependence indicates the effect of saturable absorption and/or dark states. (b) We revealed ultrafast carrier dynamics with regard to the amorphous-to-crystalline phase change in Cr2Ge2Te6, a candidate material for phase change random access memory. (c) We demonstrated terahertz (THz) sum-frequency excitation of a Raman-active (IR-inactive) phonon modes by broadband and intense THz pulses, which opens up a new way to control lattice vibrations in atomic layer materials.

Free Research Field

光物性物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

原子層物質（ファンデルワールス層状物質）はその特長的な物性、積層による物性制御やデバイス化の可能性から近年大きく注目されている物質であり、本研究ではCr2Ge2Te6およびWSe2のキャリアやフォノンのダイナミクスに関して新しい知見を得ることができた。特にCr2Ge2Te6の超高速ダイナミクスは高速動作する相変化メモリ実現の基盤となる成果であると言える。また、WSe2における赤外不活性なフォノンモードのテラヘルツ和周波励起の実現は、新しい格子振動の制御手法を提供するものであり、電子-格子相互作用などを利用した新しい物性制御実現へとつながる可能性がある。