近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”） 超快光谱学团队在单层过渡金属硫族化合物（TMD）的激子多体物理研究方面取得新进展，利用圆偏振分辨的瞬态吸收光谱技术，实现了对单层二硒化钨（WSe₂）中谷间中性和带电双激子的相干产生与探测，系统揭示了其相干动力学行为及温度依赖的结合能演化规律。2026年9月3日，相关成果以“单层WSe₂中中性及带电双激子的相干动力学”（Coherent dynamics of neutral and charged biexcitons in monolayer WSe₂）为题，在线发表于《纳米快报》（Nano Letters）。

单层TMD材料因其强大的库仑相互作用和独特的能谷光学选择定则，成为研究多体激子复合物的理想平台。双激子作为高阶激子复合物，在激光增益介质和纠缠光子源等量子光电应用中具有重要价值。然而，由于非均匀展宽、缺陷扰动和杂质等因素的影响，双激子的明确识别与调控一直面临重大挑战。

研究团队采用圆偏振分辨的瞬态吸收光谱技术（Helicity-Resolved TAS）（图1a），在交叉圆偏振配置下（泵浦光σ+，探测光σ-），利用窄带单色泵浦光共振激发中性激子，以白光超连续谱作为探测光，实现了对单层WSe₂中谷间双激子的高灵敏度相干探测（图1b-d）。该方法有效避免了非相干背景的干扰，能够同时捕获中性双激子和带电双激子的相干信号。通过系统的泵浦通量依赖性实验，研究团队发现双激子信号强度与泵浦通量呈线性依赖关系，这是本征相干过程的典型标志，与光致发光（PL）测量中观察到的超线性功率依赖形成鲜明对比。

研究进一步揭示了双激子峰值能和结合能的温度依赖特性（图2）。实验数据显示，中性双激子和带电双激子的结合能随温度升高而显著增强（图2b）。通过对激子共振能量温度依赖关系的拟合分析（Varshni方程和O'Donell-Chen方程），研究团队发现双激子的有效德拜温度（~70 K）和平均声子能量（~8 meV）均显著低于中性激子（~170 K和~15 meV）。这一现象源于双激子具有更扩展的波函数和更大的有效质量，使其对热晶格振动和低能声子散射更加敏感。这一发现为理解二维材料中激子、双激子及其他激发态之间的相互作用提供了新的视角。

研究表明，通过相干光谱手段主动操控激子复合物态，是通往量子光电应用的关键一步。该工作不仅深化了对双激子相干动力学的理解，展示了瞬态吸收光谱技术在研究激子多体物理中的强大能力，也为未来基于二维半导体材料的量子光电器件设计提供了重要的物理基础。