Controlling matter at the level of electrons using ultrafast laser sources represents an important challenge for science and technology. Recently, we introduced a general laser control scheme (the Stark control of electrons at interfaces or SCELI) based on the Stark effect that uses the subcycle structure of light to manipulate electron dynamics at semiconductor interfaces [A. Garzón-Ramírez and I. Franco, Phys. Rev. B 98, 121305 (2018)]. Here, we demonstrate that SCELI is also of general applicability in molecule–semiconductor interfaces. We do so by following the quantum dynamics induced by non-resonant few-cycle laser pulses of intermediate intensity (non-perturbative but non-ionizing) across model molecule–semiconductor interfaces of varying level alignments. We show that SCELI induces interfacial charge transfer regardless of the energy level alignment of the interface and even in situations where charge exchange is forbidden via resonant photoexcitation. We further show that the SCELI rate of charge transfer is faster than those offered by resonant photoexcitation routes as it is controlled by the subcycle structure of light. The results underscore the general applicability of SCELI to manipulate electron dynamics at interfaces on ultrafast timescales.

1.
M.
Shapiro
and
P.
Brumer
,
Quantum Control of Molecular Processes
,
2nd ed.
(
Wiley VCH
,
Weinheim
,
2012
).
2.
S. A.
Rice
and
M.
Zhao
,
Optical Control of Molecular Dynamics
(
John Wiley & Sons
,
New York
,
2000
).
3.
S.
Mukamel
,
Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy
(
Oxford University Press
,
1995
).
4.
E.
Heller
,
The Semiclassical Way to Dynamics and Spectroscopy
(
Princeton University Press
,
2018
).
5.
D.
Tannor
,
Introduction to Quantum Mechanics: A Time-Dependent Perspective
(
University Science Books
,
2007
).
6.
P.
Dombi
,
Z.
Pápa
,
J.
Vogelsang
,
S. V.
Yalunin
,
M.
Sivis
,
G.
Herink
,
S.
Schäfer
,
P.
Groß
,
C.
Ropers
, and
C.
Lienau
,
Rev. Mod. Phys.
92
,
025003
(
2020
).
7.
G. D.
Scholes
,
G. R.
Fleming
,
L. X.
Chen
,
A.
Aspuru-Guzik
,
A.
Buchleitner
,
D. F.
Coker
,
G. S.
Engel
,
R.
van Grondelle
,
A.
Ishizaki
,
D. M.
Jonas
,
J. S.
Lundeen
,
J. K.
McCusker
,
S.
Mukamel
,
J. P.
Ogilvie
,
A.
Olaya-Castro
,
M. A.
Ratner
,
F. C.
Spano
,
K. B.
Whaley
, and
X.
Zhu
,
Nature
543
,
647
(
2017
).
8.
M.
Mitrano
,
A.
Cantaluppi
,
D.
Nicoletti
,
S.
Kaiser
,
A.
Perucchi
,
S.
Lupi
,
P.
Di Pietro
,
D.
Pontiroli
,
M.
Riccò
,
S. R.
Clark
,
D.
Jaksch
, and
A.
Cavalleri
,
Nature
530
,
461
(
2016
).
9.
D.
Fausti
,
R. I.
Tobey
,
N.
Dean
,
S.
Kaiser
,
A.
Dienst
,
M. C.
Hoffmann
,
S.
Pyon
,
T.
Takayama
,
H.
Takagi
, and
A.
Cavalleri
,
Science
331
,
189
(
2011
).
10.
F.
Krausz
and
M.
Ivanov
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
163
(
2009
).
11.
P. B.
Corkum
and
F.
Krausz
,
Nat. Phys.
3
,
381
(
2007
).
12.
M.
Rini
,
R.
Tobey
,
N.
Dean
,
J.
Itatani
,
Y.
Tomioka
,
Y.
Tokura
,
R. W.
Schoenlein
, and
A.
Cavalleri
,
Nature
449
,
72
(
2007
).
13.
S.
Kohler
,
J.
Lehmann
, and
P.
Hanggi
,
Phys. Rep.
406
,
379
(
2005
).
14.
M.
Fleischhauer
,
A.
Imamoglu
, and
J. P.
Marangos
,
Rev. Mod. Phys.
77
,
633
(
2005
).
15.
E. I.
Butikov
,
Am. J. Phys.
69
,
755
(
2001
).
16.
K.
Bergmann
,
H.
Theuer
, and
B. W.
Shore
,
Rev. Mod. Phys.
70
,
1003
(
1998
).
17.
M.
Grifoni
and
P.
Hänggi
,
Phys. Rep.
304
,
229
(
1998
).
20.
S. H.
Autler
and
C. H.
Townes
,
Phys. Rev.
100
,
703
(
1955
).
21.
23.
T.
Hartmann
,
F.
Keck
,
H. J.
Korsch
, and
S.
Mossmann
,
New J. Phys.
6
,
2
(
2004
).
24.
25.
26.
A.
Di Carlo
,
P.
Vogl
, and
W.
Pötz
,
Phys. Rev. B
50
,
8358
(
1994
).
27.
C.
Schmidt
,
J.
Bühler
,
A. C.
Heinrich
,
J.
Allerbeck
,
R.
Podzimski
,
D.
Berghoff
,
T.
Meier
,
W. G.
Schmidt
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
,
D.
Brida
, and
A.
Leitenstorfer
,
Nat. Commun.
9
,
2890
(
2018
).
28.
B.
Gu
and
I.
Franco
,
Phys. Rev. A
98
,
063412
(
2018
).
29.
Y.
Kobayashi
,
C.
Heide
,
A. C.
Johnson
,
V.
Tiwari
,
F.
Liu
,
D. A.
Reis
,
T. F.
Heinz
, and
S.
Ghimire
,
Nat. Phys.
19
,
171
(
2023
).
30.
I.
Franco
,
M.
Shapiro
, and
P.
Brumer
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
126802
(
2007
).
31.
L.
Chen
,
Y.
Zhang
,
G. H.
Chen
, and
I.
Franco
,
Nat. Commun.
9
,
2070
(
2018
).
32.
A. J.
Garzón-Ramírez
and
I.
Franco
,
J. Chem. Phys.
153
,
044704
(
2020
).
33.
A.
Garzón
and
I.
Franco
,
Phys. Rev. B
98
,
121305(R)
(
2018
).
34.
T.
Boolakee
,
C.
Heide
,
A.
Garzón-Ramírez
,
H. B.
Weber
,
I.
Franco
, and
P.
Hommelhoff
,
Nature
605
,
251
(
2022
).
35.
C.
Heide
,
T.
Eckstein
,
T.
Boolakee
,
C.
Gerner
,
H. B.
Weber
,
I.
Franco
, and
P.
Hommelhoff
,
Nano Lett.
21
,
9403
(
2021
).
36.
T.
Higuchi
,
C.
Heide
,
K.
Ullmann
,
H. B.
Weber
, and
P.
Hommelhoff
,
Nature
550
,
224
(
2017
).
37.
M.
Schultze
,
E. M.
Bothschafter
,
A.
Sommer
,
S.
Holzner
,
W.
Schweinberger
,
M.
Fiess
,
M.
Hofstetter
,
R.
Kienberger
,
V.
Apalkov
,
V. S.
Yakovlev
,
M. I.
Stockman
, and
F.
Krausz
,
Nature
493
,
75
(
2013
).
38.
A.
Schiffrin
,
T.
Paasch-Colberg
,
N.
Karpowicz
,
V.
Apalkov
,
D.
Gerster
,
S.
Mühlbrandt
,
M.
Korbman
,
J.
Reichert
,
M.
Schultze
,
S.
Holzner
,
J. V.
Barth
,
R.
Kienberger
,
R.
Ernstorfer
,
V. S.
Yakovlev
,
M. I.
Stockman
, and
F.
Krausz
,
Nature
493
,
70
(
2013
).
39.
T.
Paasch-Colberg
,
S. Y.
Kruchinin
,
Ö.
Sağlam
,
S.
Kapser
,
S.
Cabrini
,
S.
Muehlbrandt
,
J.
Reichert
,
J. V.
Barth
,
R.
Ernstorfer
,
R.
Kienberger
,
V. S.
Yakovlev
,
N.
Karpowicz
, and
A.
Schiffrin
,
Optica
3
,
1358
(
2016
).
40.
M.
Lenzner
,
J.
Krüger
,
S.
Sartania
,
Z.
Cheng
,
C.
Spielmann
,
G.
Mourou
,
W.
Kautek
, and
F.
Krausz
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
4076
(
1998
).
41.
B. J.
Sussman
,
Am. J. Phys.
79
,
477
(
2011
).
42.
H.
Fukuyama
,
R. A.
Bari
, and
H. C.
Fogedby
,
Phys. Rev. B
8
,
5579
(
1973
).
43.
A. J.
Garzón-Ramírez
,
F.
Fernández Villoria
, and
I.
Franco
,
Phys. Rev. B
103
,
235304
(
2021
).
44.
A.
Kar
and
I.
Franco
,
J. Chem. Phys.
146
,
214107
(
2017
).
45.
B.
Gu
and
I.
Franco
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
4289
(
2017
).
46.
B.
Gu
and
I.
Franco
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
773
(
2018
).
47.
W.
Hu
,
B.
Gu
, and
I.
Franco
,
J. Chem. Phys.
148
,
134304
(
2018
).
48.
V. S.
Batista
and
P.
Brumer
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
143201
(
2002
).
49.
L. G. C.
Rego
,
L. F.
Santos
, and
V. S.
Batista
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
60
,
293
(
2009
).
50.
I.
Franco
,
M.
Shapiro
, and
P.
Brumer
,
J. Chem. Phys.
128
,
244906
(
2008
).
51.
M. A.
Mangold
,
M.
Calame
,
M.
Mayor
, and
A. W.
Holleitner
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
12185
(
2011
).
52.
S. H. M.
Jafri
,
H.
Löfås
,
T.
Blom
,
A.
Wallner
,
A.
Grigoriev
,
R.
Ahuja
,
H.
Ottosson
, and
K.
Leifer
,
Sci. Rep.
5
,
14431
(
2015
).
53.
K.
Ullmann
,
P. B.
Coto
,
S.
Leitherer
,
A.
Molina-Ontoria
,
N.
Martín
,
M.
Thoss
, and
H. B.
Weber
,
Nano Lett.
15
,
3512
(
2015
).
54.
D.
Xiang
,
X.
Wang
,
C.
Jia
,
T.
Lee
, and
X.
Guo
,
Chem. Rev.
116
,
4318
(
2016
).
55.
L.
Mejía
,
N.
Renaud
, and
I.
Franco
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
745
(
2018
).
56.
M.
Galperin
,
M. A.
Ratner
, and
A.
Nitzan
,
J. Condens. Matter Phys.
19
,
103201
(
2007
).
57.
N. A.
Zimbovskaya
and
M. R.
Pederson
,
Phys. Rep.
509
,
1
(
2011
).
58.
M.
Thoss
and
F.
Evers
,
J. Chem. Phys.
148
,
030901
(
2018
).
59.
T. L.
Cocker
,
D.
Peller
,
P.
Yu
,
J.
Repp
, and
R.
Huber
,
Nature
539
,
263
(
2016
).
60.
L.
Bartels
,
F.
Wang
,
D.
Möller
,
E.
Knoesel
, and
T. F.
Heinz
,
Science
305
,
648
(
2004
).
61.
S.
Li
,
S.
Chen
,
J.
Li
,
R.
Wu
, and
W.
Ho
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
176002
(
2017
).
62.
G.
Czap
,
P. J.
Wagner
,
F.
Xue
,
L.
Gu
,
J.
Li
,
J.
Yao
,
R.
Wu
, and
W.
Ho
,
Science
364
,
670
(
2019
).
63.
D.
Peller
,
L. Z.
Kastner
,
T.
Buchner
,
C.
Roelcke
,
F.
Albrecht
,
N.
Moll
,
R.
Huber
, and
J.
Repp
,
Nature
585
,
58
(
2020
).
64.
S.
Li
,
G.
Czap
,
H.
Wang
,
L.
Wang
,
S.
Chen
,
A.
Yu
,
R.
Wu
, and
W.
Ho
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
077401
(
2019
).
65.
Y.
Jiang
,
Q.
Huan
,
L.
Fabris
,
G. C.
Bazan
, and
W.
Ho
,
Nat. Chem.
5
,
36
(
2013
).
66.
M.
Koch
,
M.
Gille
,
S.
Hecht
, and
L.
Grill
,
Surf. Sci.
678
,
194
(
2018
), surface Structure and Dynamics – in Honor of Karl-Heinz Rieder.
67.
L.
Zhou
,
P. K. H.
Ho
,
P. C.
Zhang
,
S. F. Y.
Li
, and
G. Q.
Xu
,
Appl. Phys. A
66
,
S643
(
1998
).
68.
D.
den Boer
and
J. A.
Elemans
,
Eur. Polym. J.
83
,
390
(
2016
).
69.
70.
S. W.
Wu
and
W.
Ho
,
Phys. Rev. B
82
,
085444
(
2010
).
71.
V.
Jelic
,
K.
Iwaszczuk
,
P. H.
Nguyen
,
C.
Rathje
,
G. J.
Hornig
,
H. M.
Sharum
,
J. R.
Hoffman
,
M. R.
Freeman
, and
F. A.
Hegmann
,
Nat. Phys.
13
,
591
(
2017
).
72.
F.
Schindler
,
J. M.
Lupton
,
J.
Müller
,
J.
Feldmann
, and
U.
Scherf
,
Nat. Mater.
5
,
141
(
2006
).
73.
S. G.
Boxer
,
J. Phys. Chem. B
113
,
2972
(
2009
).
74.
G.
Weiser
,
L.
Legrand
,
T.
Barisien
,
A. A.
Choueiry
,
M.
Schott
, and
S.
Dutremez
,
Phys. Rev. B
81
,
125209
(
2010
).
75.
O.
Schubert
,
M.
Hohenleutner
,
F.
Langer
,
B.
Urbanek
,
C.
Lange
,
U.
Huttner
,
D.
Golde
,
T.
Meier
,
M.
Kira
,
S. W.
Koch
, and
R.
Huber
,
Nat. Photonics
8
,
119
(
2014
).
76.
A. C.
Hindmarsh
,
P. N.
Brown
,
K. E.
Grant
,
S. L.
Lee
,
R.
Serban
,
D. E.
Shumaker
, and
C. S.
Woodward
,
ACM Trans. Math. Softw.
31
,
363
(
2005
).
77.
G. C.
Stey
and
G.
Gusman
,
J. Phys. C
6
,
650
(
1973
).
78.
M.
Glück
,
A. R.
Kolovsky
, and
H. J.
Korsch
,
Phys. Rep.
366
,
103
(
2002
).
79.
K. E.
Dalle
,
J.
Warnan
,
J. J.
Leung
,
B.
Reuillard
,
I. S.
Karmel
, and
E.
Reisner
,
Chem. Rev.
119
,
2752
(
2019
).
80.
X.
Wang
and
C.
Li
,
J. Photochem. Photobiol. C
33
,
165
(
2017
).
81.
R. J.
Levis
and
M. J.
DeWitt
,
J. Phys. Chem. A
103
,
6493
(
1999
).
You do not currently have access to this content.