近日，清华大学物理系熊启华教授团队、清华大学航天航空学院高华健教授团队，与南京大学徐伟高教授团队展开深度合作，从调控二维半导体异质结的层间耦合相互作用入手，提出并验证了一种基于声子辅助界面电荷转移（ICT-driven optical cooling）的新型光学制冷机制。相关成果以“Optical cooling by interfacial charge transfer in 2D heterostructures”为题于2026年6月24日在线发表于《自然》（Nature）杂志，同期杂志撰写评论文章“Laser light triggers heat flow in ultra-thin structure”。
固体激光制冷技术为量子材料与微纳电子系统提供了一条极具前景的无制冷剂控温途径。目前，主流的固体激光制冷机制主要依赖声子辅助的上转换荧光过程。然而，该机制对材料的要求极为苛刻，必须满足接近1的外量子效率和高效的光子提取。这些严苛条件此前只在稀土掺杂的透明介质和极少数半导体材料中得以实现，如Yb离子掺杂的玻璃材料（Nature 377, 500 (1995)），硫化镉纳米带（Nature 493, 504 (2013)）和部分卤素钙钛矿晶体（Nature Photonics 10, 115 (2016)）。对于备受瞩目的二维范德华半导体材料，其外量子效率通常不到10%，强烈的非辐射复合导致的发热远超制冷量。因此，在二维半导体体系中实现宏观尺度的光学制冷，此前一直被学术界视为难以跨越的物理瓶颈。
为了突破这一瓶颈，联合研究团队另辟蹊径，跳出了传统上转换荧光机制的框架，探索了将“界面电荷转移”作为非辐射热提取路径的可行性。南京大学徐伟高教授团队在典型的Ⅱ型能带结构二维异质结中，成功构建了处于“中间耦合（intermediate coupling）”状态的体系。该状态既能保持高电荷转移效率，又巧妙引入了动量失配条件，成功在电子给体（制冷层）中实现了晶格声子能量的提取，在宏观尺度上获得了高达110 K的反常绝对温降（图1）。
图1. 界面电荷转移驱动光学制冷策略及WSe2/MoSe2异质结中WSe2组分的反常声子布居。
在微观动力学机制方面，跨界面电荷转移是否具有能量势垒以及声子是否真实参与其中，是验证该假说的核心（图2）。清华大学熊启华教授团队发挥了关键实验确证作用。课题组利用自主搭建的高时间分辨率（40 fs）的泵浦-探测瞬态吸收光谱技术，对WSe2/WS2体系的超快层间电荷转移与载流子复合动力学进行了温度依赖性追踪。实验清晰地观测到，随着温度从298 K降至10 K，电荷转移时间由约56 fs增加至114 fs。这一温度依赖的动力学行为表明界面电荷转移过程存在表观能垒，需要消耗声子（吸收热量）才能完成。同时，极高的电荷转移效率有效抑制了层内热载流子的非辐射弛豫发热。
图2. 不同层间耦合异质结中声子介导的电荷分离和复合超快动力学。
与此同时，清华大学航天航空学院高华健教授团队结合分子动力学模拟分析，探讨了界面热阻随层间距的指数级依赖变化趋势，为理解微观耦合态差异如何协助维持层间温差提供了理论支持。
与传统基于荧光上转换的激光制冷机制不同，界面电荷转移驱动的光学制冷展现出了较高的激发条件自由度和材料宽容度。双光束扰动实验和功率依赖测试表明，该机制不仅摆脱了对精确调谐共振激发的依赖，在较宽的波长与功率范围内均能维持制冷效果，且有效绕过了传统机制对高外量子效率（PLQY）的严苛要求。即便是在 PLQY 仅为 0.1% 左右的化学气相沉积（CVD）生长的 WSe2 样品中，拉曼光谱仍然呈现了低温特征。该研究在二维半导体体系中成功验证了界面电荷转移驱动的光学制冷作为上转换荧光制冷替代方案的科学可行性，将热能提取途径拓展至非辐射通道，为开发微纳光电与量子器件的无制冷剂热管理系统提供了新的切入点。
南京大学博士生林佳敏、清华大学物理系博士生项白絮、清华大学航天航空学院博士生刘人广、南京大学博士生凌巾洋为论文共同第一作者，南京大学徐伟高教授、清华大学熊启华教授、高华健教授为论文共同通讯作者，南方科技大学林君浩、东南大学章琦、厦门大学王行之、南京大学王伟、万昌锦团队分别在截面球差校正电子显微镜表征、荧光量子效率测试、数据分析与机制讨论方面给予了支持。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、新基石科学基金等项目的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10662-w
