La espectroscopia de dispersión Raman es un método necesario y preciso para caracterizar la estructura reticular y sondear las interacciones electrón-fotón y electrón-fonón. En el reino cuántico, los fotones pueden excitar los electrones en los estados fundamentales a niveles de energía intermedios y luego acoplarlos a los fonones para emitir fotones con energías modificadas. Los procesos Raman elementales pueden interferir entre sí a través de posibles vías para dar lugar a intrigantes efectos de dispersión. En un nuevo informe publicado ahora en Nature Communications , Shishu Zhang y un equipo de investigación en nanoquímica y ciencia de materiales en China describieron la interferencia cuántica que puede conducir a una respuesta Raman quiral significativa en los dicalcogenuros de metales de transición monocapa con simetría triclínica y mostraron una gran diferencia de intensidad circular para el dicalcogenuro de renio monocapa. Los resultados revelaron los espectros Raman quirales como una nueva manifestación de la interferencia cuántica en los procesos de dispersión Raman para inspirar la inducción de respuestas ópticas quirales en los materiales.

Interferencia cuántica

Los fonones se pueden acoplar a electrones fotoexcitados durante un proceso de dispersión Raman para relajarse al estado fundamental mediante la emisión de fotones dispersos. La diferencia de energía entre los fotones incidentes y dispersos puede proporcionar la frecuencia de un modo Raman y revelar la información estructural de los materiales. Los científicos también pueden estimar de manera más efectiva la intensidad a través de interacciones electrón-fotón y electrón-fonón. La interferencia cuántica puede ocurrir entre diferentes vías elementales de dispersión para dar como resultado la regulación de las eficiencias de dispersión inelástica. Los científicos de materiales solo han informado el efecto de interferencia cuántica en la dispersión Raman para materiales en capas bidimensionales (2D), incluido el grafeno dopado electrostáticamente y el ditellururo de molibdeno de pocas capas. Si bien la interferencia cuántica es difícil de observar, es esencial comprender las interacciones fundamentales entre la luz y la materia para regular potencialmente la dispersión de la luz en los materiales. En este trabajo, Zhang et al. utilizó dicalcogenuro de renio (ReX_2, donde X es igual a azufre o selenio) como un material de dicalcogenuro de metal de transición en capas con simetría triclínica. Los investigadores han demostrado cómo los átomos Re en ReX₂ (X =azufre o selenio) los cristales se alejaron de los sitios metálicos para formar Re₄ paralelogramos para formar una estructura cristalina distorsionada y dar lugar a propiedades anisotrópicas en el plano, incluida la movilidad del portador, la fotoluminiscencia y la dispersión Raman.

Los experimentos

Los científicos todavía están explorando las interacciones entre fotones, electrones y fonones durante el proceso de dispersión Raman quiral. Zhang et al. informó la dispersión Raman quiral observada en monocapa ReS₂ y ReSe₂ excitado por luz polarizada circularmente. El equipo indujo una gran intensidad circular a través de la interferencia cuántica entre procesos Raman de primer orden en diferentes puntos K en la zona de Brillouin. Los espectros Raman quirales calculados basados ​​en el efecto de interferencia cuántica coincidieron bien con los experimentos. En la configuración óptica para las mediciones de dispersión Raman quiral, utilizaron una placa de cuarto de onda para producir polarización circular dextrógira o levógira para la excitación. La luz dispersa podría pasar a través de la misma placa de cuarto de onda para su recolección sin un analizador. Durante los experimentos, Zhang et al. exfoliado mecánicamente un ReS₂ de una sola capa sobre un sustrato de sílice fundida y obtuvo imágenes de microscopía óptica y de fuerza atómica. Notaron el grosor del ReS₂ monocapa y calculó los vectores propios de los modos vibratorios activos de Raman a través de la teoría funcional de la densidad. Debido a su simetría triclínica, el ReX₂ en capas tenía dos orientaciones verticales. De manera similar, los espectros de dispersión Raman quirales de la monocapa contenían dos orientaciones diferentes, que Zhang et al. se distingue mediante microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular. Para comprender mejor la dispersión Raman quiral, el equipo exploró las eficiencias de dispersión de ReS₂ (+) y ReS₂ (-), en función del ángulo de rotación de la placa de cuarto de onda. La quiralidad en dos dimensiones surgió cuando distintos enantiómeros se limitan a un plano; sin embargo, el método en el que las respuestas Raman quirales surgen de la visión microcósmica de las interacciones electrón/fotón y electrón/fonón aún no se comprende en este caso.

Cálculos teóricos y respuesta Raman quiral

Para calcular el gran diferencial de intensidad circular observado en 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.

Perspectiva

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 . + Explora más

Controlling electrons and vibrations in a crystal with polarized light

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