La spectroscopie de diffusion Raman est une méthode nécessaire et précise pour caractériser la structure du réseau et sonder les interactions électron-photon et électron-phonon. Dans le domaine quantique, les électrons aux états fondamentaux peuvent être excités à des niveaux d'énergie intermédiaires par des photons, puis être couplés à des phonons pour émettre des photons avec des énergies modifiées. Les processus Raman élémentaires peuvent interférer les uns avec les autres via des voies possibles pour donner lieu à des effets de diffusion intrigants. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Nature Communications , Shishu Zhang et une équipe de recherche en nanochimie et science des matériaux en Chine ont décrit les interférences quantiques qui peuvent conduire à une réponse Raman chirale significative dans les dichalcogénures de métaux de transition monocouches à symétrie triclinique et ont montré une grande différence d'intensité circulaire pour le dichalcogénure de rhénium monocouche. Les résultats ont révélé que les spectres Raman chiraux étaient une nouvelle manifestation de l'interférence quantique dans les processus de diffusion Raman pour inspirer l'induction de réponses optiques chirales dans les matériaux.

Interférence quantique

Les phonons peuvent être couplés à des électrons photo-excités lors d'un processus de diffusion Raman pour se détendre à l'état fondamental en émettant des photons diffusés. La différence d'énergie entre les photons incidents et diffusés peut fournir la fréquence d'un mode Raman et révéler les informations structurelles des matériaux. Les scientifiques peuvent également estimer plus efficacement l'intensité via les interactions électron-photon et électron-phonon. Des interférences quantiques peuvent se produire entre différentes voies élémentaires de diffusion pour aboutir à la régulation des efficacités de diffusion inélastique. Les scientifiques des matériaux n'ont signalé l'effet d'interférence quantique dans la diffusion Raman que pour les matériaux en couches bidimensionnels (2D), y compris le graphène dopé électrostatiquement et le ditellurure de molybdène à quelques couches. Bien que les interférences quantiques soient difficiles à observer, il est essentiel de comprendre les interactions fondamentales entre la lumière et la matière pour réguler potentiellement la diffusion de la lumière dans les matériaux. Dans ce travail, Zhang et al. utilisé le dichalcogénure de rhénium (ReX_2, où X est égal au soufre ou au sélénium) en tant que matériau de dichalcogénure de métal de transition en couches avec une symétrie triclinique. Des chercheurs ont montré comment les atomes de Re dans ReX₂ (X =soufre ou sélénium) les cristaux se sont éloignés des sites métalliques pour former Re₄ parallélogrammes pour former une structure cristalline déformée et donner lieu à des propriétés anisotropes dans le plan, notamment la mobilité des porteurs, la photoluminescence et la diffusion Raman.

Les expériences

Les scientifiques explorent encore les interactions entre les photons, les électrons et les phonons au cours du processus de diffusion Raman chirale. Zhang et al. ont rapporté la diffusion Raman chirale observée dans la monocouche ReS₂ et ReSe₂ excité par la lumière polarisée circulairement. L'équipe a induit une grande intensité circulaire via une interférence quantique entre les processus Raman de premier ordre à différents points K dans la zone de Brillouin. Les spectres Raman chiraux calculés sur la base de l'effet d'interférence quantique concordaient bien avec les expériences. Dans la configuration optique pour les mesures de diffusion Raman chirale, ils ont utilisé une lame quart d'onde pour produire une polarisation circulaire droite ou gauche pour l'excitation. La lumière diffusée pourrait traverser la même plaque quart d'onde pour être collectée sans analyseur. Au cours des expériences, Zhang et al. exfolié mécaniquement un ReS₂ monocouche sur un substrat de silice fondue et obtenu des images de microscopie à force optique et atomique. Ils ont noté l'épaisseur du ReS₂ monocouche et calculé les vecteurs propres des modes vibrationnels Raman actifs via la théorie de la fonctionnelle de la densité. En raison de sa symétrie triclinique, le ReX₂ en couches avait deux orientations verticales. De même, les spectres de diffusion Raman chiraux de la monocouche contenaient deux orientations différentes, que Zhang et al. distingués en utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage annulaire à fond noir. Pour mieux comprendre la diffusion Raman chirale, l'équipe a exploré les efficacités de diffusion de ReS₂ (+) et Res₂ (-), en fonction de l'angle de rotation de la lame quart d'onde. La chiralité en deux dimensions est apparue lorsque des énantiomères distincts sont confinés à un plan; cependant, la méthode dans laquelle les réponses Raman chirales découlent de la vision microcosmique des interactions électron/photon et électron/phonon n'est toujours pas comprise dans ce cas.

Theoretical calculations and chiral Raman response

To calculate the large circular intensity differential observed in 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 . + Explorer plus loin

Controlling electrons and vibrations in a crystal with polarized light

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