近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”） 超快光谱学团队在量子材料电调控光学斯塔克效应方面取得新进展，首次实现了对单层二硫化钨（WS₂）中光学斯塔克效应的电场调控，为在原子级薄的二维材料中相干光-物质相互作用的主动操控提供了全新的自由度。2025年11月24日，相关成果以“电调控单层WS₂光学斯塔克效应”（Electrical Tuning of Optical Stark Effect in Monolayer WS₂）为题在线发表于《纳米快报》（Nano Letters）。

光学斯塔克效应（OSE）是一种在强相干光场作用下，光子“修饰”态与材料本征态发生耦合，导致能带结构发生瞬时重整化的现象。OSE不产生真实激子，而是通过“虚拟激子”实现对材料能态的相干调控，是Floquet工程和光控量子物态研究中的重要手段。以往，研究人员只能通过改变激光的强度、频率或偏振来调控这一效应。

研究团队首次将“电场”作为调控OSE的关键变量，设计了一种高质量的背栅器件，利用圆偏振分辨的瞬态吸收光谱技术（Helicity-Resolved TAS）实现了对谷选择性OSE的高灵敏度探测（图1所示）。该方法有效避免了真实激子的干扰，纯化了OSE信号，为提取激子跃迁偶极矩和振子强度提供了可靠途径。通过施加栅极电压，就能连续、可逆地调节OSE的强度，使激子共振能量的蓝移增强了约2.5倍（从~4 meV增至~10 meV）。进一步分析表明，这一增强主要源于电场对跃迁偶极矩和激子振荡强度的调控，而非简单的激子密度变化。研究还发现，OSE蓝移与稳态激子吸收强度在高负压下出现偏离，揭示了其中存在超越传统激子图像的复杂多体物理效应（图2所示），为理解二维材料中的激子、带电激子及其他激发态的相互作用提供了新的线索。

图1 77 K下，A激子差分反射谱变化ΔR/R。（a）单色泵浦光谱和宽带探测光谱及单层WS₂稳态反射对比（Reflectance contrast, RC)曲线；（b）OSE诱导的蓝移和吸收光谱示意图；（c-e）不同电压下的差分反射谱随延迟时间和能量变化的2D图谱；（f-h）相同圆偏振状态下提取0ps差分反射谱。

图2 背栅器件和瞬态吸收光谱的原理，OSE诱导的蓝移和激子振荡强度与栅极电压的关系。插图显示了从稳态光谱中提取的A激子（I_A）和带电激子（I_T）的强度。

该工作不仅深化了对OSE物理机制的理解，更展示了电场作为调控光-物质相互作用的有力工具，为光调制器、量子光源、谷电子学器件等光电器件的设计提供了新思路，展示了电场与光场在二维材料中协同调控的巨大潜力。这不仅仅是一个观测现象的突破，更是朝着主动设计和操控量子态迈出的关键一步。

该论文第一作者为量子院博士生张秀，通讯作者为量子院刘海云副研究员和量子院兼聘研究员/清华大学熊启华教授，合作者还包括量子院助理研究员秦廷箫，高级工程师张孟迪，博士生黄海云，以及清华大学博士生项白絮、王毓彬。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c04755