材料科学：2Dヘテロ構造における界面電荷移動による光冷却

光冷却、すなわち固体のレーザー冷却は、量子系および電子系の温度制御に対して、極低温冷却材を必要としない手法を提供する。これまでの進展は、フォノン支援によるアップコンバージョンフォトルミネッセンスの手法によるものであるが、これは依然として、材料や励起に関する厳しい要件に制約されている。今回我々は、二次元（2D）半導体ヘテロ構造において、これとは明確に異なる手法である界面電荷移動に駆動される光冷却を実証する。WSe₂内の光励起キャリアは、II型接合を横切ってMoSe₂またはWS₂に入り、フォノン支援による界面電荷移動過程を通じて、放射を伴わずに格子エネルギーを取り出す。ラマン分光法とフォトルミネッセンス測定によって、WSe₂層に顕著な低温シグネチャーが示され、過渡吸収分光法により、フォノン支援によって障壁活性化された層間電荷移動が突き止められた。分子動力学シミュレーションでは、温度勾配を維持する顕著な界面熱抵抗が示された。この障壁に媒介されたフォノン取り出しは、ほぼ1の量子効率や共鳴励起を必要とせず、量子系、オプトエレクトロニクス系、ナノスケール系における極低温冷却材不要の冷却および熱管理に向けた有望な戦略となる。

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