La spettroscopia di scattering Raman è un metodo necessario e accurato per caratterizzare la struttura del reticolo e sondare le interazioni elettrone-fotone ed elettrone-fonone. Nel regno quantistico, gli elettroni negli stati fondamentali possono essere eccitati a livelli energetici intermedi dai fotoni, quindi essere accoppiati a fononi per emettere fotoni con energie modificate. I processi Raman elementari possono interferire tra loro attraverso possibili percorsi per dare origine a intriganti effetti di dispersione. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Nature Communications , Shishu Zhang e un gruppo di ricerca in nanochimica e scienza dei materiali in Cina hanno descritto l'interferenza quantistica che può portare a una risposta Raman chirale significativa nei dicalcogenuri di metalli di transizione monostrato con simmetria triclinica e hanno mostrato una grande differenza di intensità circolare per il dicalcogenuro di renio monostrato. I risultati hanno rivelato gli spettri Raman chirali come una nuova manifestazione di interferenza quantistica ai processi di scattering Raman per ispirare l'induzione di risposte ottiche chirali nei materiali.

Interferenza quantistica

I fononi possono essere accoppiati a elettroni fotoeccitati durante un processo di scattering Raman per rilassarsi allo stato fondamentale emettendo fotoni sparsi. La differenza di energia tra i fotoni incidenti e quelli diffusi può fornire la frequenza di una modalità Raman e rivelare le informazioni strutturali dei materiali. Gli scienziati possono anche stimare in modo più efficace l'intensità tramite interazioni elettrone-fotone ed elettrone-fonone. L'interferenza quantistica può verificarsi tra diversi percorsi elementari di scattering per provocare la regolazione dell'efficienza di scattering anelastica. Gli scienziati dei materiali hanno riportato solo l'effetto di interferenza quantistica nello scattering Raman per materiali stratificati bidimensionali (2D), tra cui grafene drogato elettrostaticamente e ditelluride di molibdeno a pochi strati. Sebbene l'interferenza quantistica sia difficile da osservare, è essenziale comprendere le interazioni fondamentali tra luce-materia per regolare potenzialmente la dispersione della luce nei materiali. In questo lavoro, Zhang et al. utilizzato dicalcogenuro di renio (ReX_2, dove X è uguale a zolfo o selenio) come materiale dicalcogenuro di metallo di transizione stratificato con simmetria triclinica. I ricercatori hanno mostrato come gli atomi di Re in ReX₂ (X =zolfo o selenio) i cristalli si sono allontanati dai siti metallici per formare Re₄ parallelogrammi per formare una struttura cristallina distorta e dare origine a proprietà anisotropiche nel piano tra cui mobilità del vettore, fotoluminescenza e diffusione Raman.

Gli esperimenti

Gli scienziati stanno ancora esplorando le interazioni tra fotoni, elettroni e fononi durante il processo di diffusione chirale di Raman. Zhang et al. riportato lo scattering chirale Raman osservato nel monostrato ReS₂ e ReSe₂ eccitato da luce polarizzata circolarmente. Il team ha indotto una grande intensità circolare tramite interferenza quantistica tra processi Raman del primo ordine in diversi punti K nella zona di Brillouin. Gli spettri Raman chirali calcolati in base all'effetto di interferenza quantistica concordavano bene con gli esperimenti. Nella configurazione ottica per le misurazioni dello scattering Raman chirale, hanno utilizzato una piastra a quarto d'onda per produrre una polarizzazione circolare destrorsa o sinistrorsa per l'eccitazione. La luce diffusa potrebbe passare attraverso la stessa piastra a quarto d'onda per la raccolta senza un analizzatore. Durante gli esperimenti, Zhang et al. esfoliato meccanicamente un ReS₂ monostrato su un substrato di silice fusa e ottenute immagini di microscopia ottica e a forza atomica. Hanno notato lo spessore del ReS₂ monostrato e calcolato gli autovettori dei modi vibrazionali Raman-attivi attraverso la teoria del funzionale della densità. Grazie alla sua simmetria triclinica, il ReX₂ a strati aveva due orientamenti verticali. Allo stesso modo, gli spettri di scattering Raman chirali del monostrato contenevano due diversi orientamenti, che Zhang et al. distinto utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo scuro anulare. Per comprendere ulteriormente lo scattering Raman chirale, il team ha esplorato le efficienze di scattering di ReS₂ (+) e ReS₂ (-), in funzione dell'angolo di rotazione della piastra a quarto d'onda. La chiralità in due dimensioni è sorta quando enantiomeri distinti sono confinati su un piano; tuttavia, il metodo in cui le risposte Raman chirali derivano dalla visione microcosmica delle interazioni elettrone/fotone ed elettrone/fonone non è ancora compreso in questo caso.

Calcoli teorici e risposta Raman chirale

Per calcolare il grande differenziale di intensità circolare osservato 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.

Prospettiva

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 . + Esplora ulteriormente

Controlling electrons and vibrations in a crystal with polarized light

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