首次观察，中科院物理所揭示声子斯塔克效应的新机制！

【科学背景】

随着量子技术和纳米技术的迅猛发展，材料科学和凝聚态物理学中的许多新兴现象和应用逐渐引起了人们的关注。斯塔克效应（Stark effect），即外部电场引起的光谱线能量位移或分裂，是现代物理学中一个重要的概念。该效应最早由Johannes Stark在1913年发现，并因其对量子理论的显著贡献于1919年获得诺贝尔物理学奖。

在凝聚态物理学中，斯塔克效应已经在各种固态量子系统中的激子（即电子和空穴的束缚对）中得到了广泛研究和应用。这些系统包括量子点、量子阱和范德华异质结构等。然而，尽管在激子斯塔克效应方面取得了显著进展，其他固态集体激发（如声子，即晶格振动的量子化激发）的斯塔克效应仍然未被揭示。

声子在材料科学和凝聚态物理中扮演着至关重要的角色。它们不仅是热传导的主要载体，还在超导性、超快载流子动力学、非平衡现象以及磁性的超快控制等方面具有重要作用。尽管已有研究表明可以通过静电掺杂效应调控二维材料（如单层和多层石墨烯、单层过渡金属二硫属化物和黑磷）中的声子能量，但这些调控通常是非线性的且调制范围有限。因此，探索如何通过外部电场来有效调控声子能量，进而实现对材料性能的精确控制，是当前材料科学研究中的一个重要课题。

为此，中科院物理所张广宇研究员，杜罗军研究员和Wang Yaxian（共同通讯作者）等一些科学家开始致力于研究声子的斯塔克效应。近年来，作者的研究团队在这方面取得了重要进展。相关研究在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Observation of phonon Stark effect”的最新论文，引起了不小的关注！

作者在二维量子固体双层2H-MoS2中首次观察到了声子的斯塔克效应。具体而言，当层间激子（IX）能量调节至其发射线附近时，双层2H-MoS2中的纵向声学（LA）声子模式在外部电场作用下发生线性红移，证明了声子的一级（也称为线性）斯塔克效应。显著的是，作者观察到的声子斯塔克效应非常巨大，频率变化可达约1 THz。这一发现不仅揭示了声子与层间激子之间的强耦合机制，还展示了通过电场调控声子态的有效方法。

通过多体第一性原理计算，作者明确了声子斯塔克效应的微观起源，即声子与高度可调节的IX之间的强耦合。此外，作者还发现了由IX介导的电声子调制的发射强度，对于红外活性声子模式A2u，调制幅度高达约1200%。作者的研究不仅揭示了新兴的巨大声子斯塔克效应，还展示了通过IX介导机制实现声子态的有效电控制方法。这些发现为未来在电场可调谐声子激光器、热传输的动态控制和太赫兹声学-电子/光学器件等方面的应用奠定了基础。

【科学亮点】

1. 实验首次观察声子斯塔克效应：本研究首次在双层2H-MoS2中观察到由高效可调节栅极的层间激子（IXs）介导的线性声子斯塔克效应。具体来说，当IXs被调节至与其发射线共振时，LA(M)声子的能量开始随着施加的电场线性红移，证实了声子的一级斯塔克效应。

2. 频率变化显著：实验发现，在实验可达的电场范围内，声子斯塔克效应的频率变化可以达到约1 THz，这表明了一个极其显著的效应。这种巨大频率变化的观察为进一步研究声子调控提供了新的方向。

3. 多体第一性原理计算验证：通过多体第一性原理计算，研究团队揭示了LA(M)声子和IXs之间的强耦合是导致巨大声子斯塔克效应的根本原因。这种理论验证不仅支持了实验结果，还深入解释了声子斯塔克效应的微观机制。

4. 发射强度重整化：实验还发现，对于红外活性A2u(Γ)声子模式，通过IXs介导的声子发射强度重整化可达到约1200%。这一结果表明，IXs不仅影响声子的能量，还显著调制了其发射强度，展示了IXs在声子工程中的潜力。

5. 广泛应用前景：本研究展示了由IXs介导的新兴声子斯塔克效应和声子工程机制，并提出这种机制可以应用于广泛的固态量子系统，如TMD本征和异质结构。这一发现为未来许多体物理学现象和新颖应用（如声子激光器和太赫兹声学-电子器件）奠定了基础。

【科学图文】

图1：双层2H-MoS2中IXs的量子限制Stark效应。

图2.  声子Stark效应的观察。

图3. 声子和IXs之间的强耦合。

图 4：声子强度的电调制与Davydov分裂。

【研究结论】

本研究揭示了声子斯塔克效应的新机制，并展示了由层间激子（IXs）介导的声子斯塔克效应对声子态的有效控制。首先，作者的实验首次在双层2H-MoS2中观察到了声子斯塔克效应，这一发现拓展了作者对固态集体激发的理解。通过实验发现，当IXs与声子的发射线共振时，外部电场导致声子能量的线性红移，从而实现了对声子态的有效调控。其次，作者的多体第一性原理计算进一步揭示了这一现象的微观机制，即LA(M)声子与IXs之间存在强耦合，导致了巨大的声子斯塔克效应。

最后，作者还观察到了对红外活性声子模式的强度调制效应，进一步丰富了对声子态的控制手段。这些发现不仅拓展了声子斯塔克效应的研究领域，也为声子调控和声子工程提供了新的思路和方法。基于这一机制，作者可以进一步探索在其他固态量子系统中的应用，如TMD本征和异质结构，从而推动了声子激光器、太赫兹声学-电子器件等新型技术的发展。

原文详情：Huang, Z., Bai, Y., Zhao, Y. et al. Observation of phonon Stark effect. Nat Commun 15, 4586 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48992-w