1 工作简介

         ——层状半导体中全新的光与物质相互作用理论

中国科学院半导体研究所谭平恒研究员团队在层状半导体中发现了声子腔和光学腔耦合效应激活的拉曼禁戒模式（如图1），由此提出了超越传统电偶极近似理论的光与物质相互作用理论，揭示了光子场和声子场空间相干性对声子激发的重要性。

拉曼散射是一种典型的光与物质相互作用过程，是探测材料中元激发（如声子、电子和激子）、元激发之间以及元激发与光子之间相互作用的不可或缺的工具。由于光波长一般远大于原子尺度，20世纪60年代，英国物理学家R. Loudon等在此前提下提出了电偶极近似模型，建立了基于群论对称性分析的电子-光子和电子-声子相互作用的理论框架。近60年来，基于电偶极近似的理论框架几乎可以理解所有拉曼散射结果。

但是，近期谭平恒研究团队利用所开发的低至2 cm^-1的超低波数、超高光谱分辨的拉曼光谱技术(Nat. Mater. 2012, doi: 10.1038/Nmat3245; Rev. Sci. Instrum. 2017, doi: 10.1063/1.4983144; Nat. Commun. 2019, doi: 10.1038/s41467-019-10400-z)，研究了层状半导体材料的层间呼吸声子模式。当激发光与层状半导体材料的C激子能量共振时，实验中可观察到拉曼禁戒的偶数支层间呼吸声子模，且其强度受激发光波长、材料厚度以及材料与衬底间折射率失配度所调制。这些实验结果无法用基于电偶极近似的理论框架来解释。

鉴于此，该团队提出层状半导体材料形成了天然的声子腔和光学腔。随着层状半导体材料厚度增加，声子腔模式的位移尺度就可能与光子波长大小相当，这就使得R. Loudon所提出电偶极近似理论的前提条件不再成立。声子腔和光学腔效应的共同作用，导致了空间调制的光子-电子相互作用和电子-声子相互作用，使得声子腔模式（即层间呼吸声子模）的强度受到材料厚度，激发光波长以及材料与衬底间折射率失配度所调制。基于此新的光与物质相互作用理论，研究团队进一步提出了包括空间调制光子-电子和电子-声子相互作用的光子-声子耦合空间相干模型，可对层状半导体材料拉曼禁戒声子模的强度与其材料厚度（图2）、激发光波长和衬底的依赖性进行定量解释。该理论超越了传统基于电偶极近似的光与物质相互作用理论，深化了对层状半导体材料中光子-声子耦合行为的认识，为理解复杂材料体系中的拉曼散射机制和调控声子激发提供了全新的理论视角。

图2. (a) 光子-声子耦合空间相干模型和(b) 偶极近似理论所计算的WS₂在488 nm激发下的层间呼吸声子模强度分布；(c) WS₂中拉曼活性（空五星）和拉曼非活性（实五星）的层间呼吸声子模。

相关研究成果以“Raman forbidden layer-breathing modes in semiconductor materials activated by phonon and optical cavity effects”发表于Physical Review Letters 134, 096903 (2025)，并入选了编辑推荐（Editors' Suggestion）。林妙玲研究员为第一作者，谭平恒研究员为通讯作者。

2 主要作者简介

第一作者

林妙玲，中国科学院半导体研究所研究员。

主要从事低维半导体声子物理研究，获得了国家自然科学基金委青年科学基金项目（B类）资助，入选了北京市科技新星、中国科学院青促会会员等。共发表论文60余篇，以第一/通讯（含共同）作者在Phys. Rev. Lett.（1篇）、Nat. Commun.（2篇）、Adv. Mater.（2篇）等期刊发表论文19余篇。曾获中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士学位论文等。担任中国物理学会光散射专业委员会委员，《Journal of Raman spectroscopy》、《Fundamental Research》和《光散射学报》编委。

通讯作者

谭平恒，中国科学院半导体研究所研究员。

长期从事半导体声子物理研究，先后获得全国百篇优秀博士论文、国家杰出青年科学基金资助、黄昆物理奖，并入选国家级人才计划科技创新领军人才。在Nature、Nat. Mater.等发表论文250余篇，被他引2万余次，多次入选科睿唯安全球高被引科学家和爱思唯尔中国高被引学者。已出版英文编著一部，中文专著一部，译著两部。已牵头撰写发布国家标准2项和国际标准1项。现主持国家重大科研仪器研制和国家重点研发计划"物态调控"重点专项等科研项目。现担任国家十四五“国家质量基础设施体系”专家组成员、第七届北京市自然科学基金委员会委员、中国物理学会秋季物理会议组委会委员及半导体物理分会召集人、中国科学院大学学术委员会委员和国际拉曼光谱学大会（ICORS）国际指导执委会委员。

3 原文传递

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.096903