北京大學(xué)物理學(xué)院方哲宇團隊近日提出了一種基于納米天線的新型二硒化鎢谷極化電子束操控方法，可利用超高分辨電子束操控金屬等離激元調(diào)控低維量子材料谷極化，為未來谷電子學(xué)、光電存儲、量子信息等研究提供了新的思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在NatureCommunications。
谷贗自旋作為與半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)極值相關(guān)的內(nèi)稟特性，為人們調(diào)控特定能谷中載流子行為提供了額外的自由度，有望成為新一代的信息載體。單層二維過渡金屬硫化物材料（TMDs），由于其天然破缺的晶格反轉(zhuǎn)對稱性導(dǎo)致自旋與能谷耦合，使得人們能夠通過外加圓偏振光場選擇性的激發(fā)能谷，已在許多研究領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。
在TMDs材料中，單層二硒化鎢（WSe2）是具有直接帶隙、相對大的結(jié)合能和高載流子遷移率的范德華層狀半導(dǎo)體之一。與MoS2相比，單層WSe2具有更強的自旋-軌道耦合，即它擁有長期谷極化的潛力，表明WSe2是谷電子和量子信息傳輸?shù)闹匾牧稀?/p>
陰極熒光納米顯微技術(shù)作為一種非侵入性的表征方法，具有納米尺度空間分辨率和精準的電子束激發(fā)能力，已被逐漸應(yīng)用于金屬納米結(jié)構(gòu)光子局域態(tài)密度表征以及輻射光場特性研究。此外，通過薄層六方氮化硼與單層TMDs材料形成異質(zhì)結(jié)也已實現(xiàn)對單層TMDs材料的陰極熒光探測。
但對金屬納米結(jié)構(gòu)與TMDs材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)還未有報道，如何在納米尺度精準表征與操控金屬結(jié)構(gòu)電磁場對單層TMDs材料中載流子行為尤其谷贗自旋的影響是目前研究的難點。
北大研究團隊通過設(shè)計結(jié)構(gòu)對稱的納米天線與六方氮化硼/二硒化鎢/六方氮化硼的金屬/介質(zhì)復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，利用入射電子束超高分辨的特點，精準激發(fā)金屬納米天線的圓偏振偶極電磁模式，通過近場相互作用在納米尺度實現(xiàn)了對低維材料谷極化的操控，利用電子束激發(fā)位點的移動在50納米內(nèi)實現(xiàn)谷極化的“開”和“關(guān)”，以及100納米內(nèi)的谷極化態(tài)反轉(zhuǎn)。
這種深亞波長尺度的谷極化操控，可應(yīng)用于介觀及量子谷電子學(xué)研究中。該工作提出的新型低維量子材料谷極化電子束操控方案，為谷電子學(xué)的研究提供了新的研究方法。同時，該工作可指導(dǎo)谷電子器件納米尺度集成，在邏輯運算、光電存儲及未來量子信息研究中有著重要意義，顯示了金屬等離激元在可見光納米谷電子器件上的巨大應(yīng)用潛力。該工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項、國家自然科學(xué)基金委國家重大科研儀器研制項目等支持。
