二硒化鎢助力未來超薄量子器件研究

美國德州大學奧斯丁分校的鄭躍兵教授所帶領的研究團隊和合作者發現莫爾手性超材料中的Purcell效應可以在室溫下對單層二硒化鎢中的手性能穀電子進行選擇性的調控。利用這種靈活的可調性，進一步實現了對能穀電子的光致發光的手性進行了動態和可重複的調節。

在傳統的半導體電子器件中，電子的傳輸被用來對資訊進行快速運算，從而實現手機和電腦上的各種強大功能。隨著晶片發展，這種利用電子在電路中物理運動的資訊處理方法面臨著無法進一步提升運行速度的瓶頸。其中一個重要的原因就是快速移動電子所產生的熱量會使得晶片的耗能增加以及運算能力的降低。

因此，近年來研究者們開始尋找方法利用電子的其它特性而非物理移動來進行資訊處理。而其中一個十分具有潛力的特性是二維半導體（如單層二硫化鉬和二硒化鎢等）中能穀電子的自旋方向。

由於單層半導體具有反演對稱性破缺和強自旋軌道耦合，其電子能帶結構產生了特殊的能穀手性特質。簡而言之，單層半導體中被激發到導帶的電子在其能量最低點具有兩種相反的軌道自旋方向。這兩種手性相反的軌道自旋分別處於不同的導帶能穀中。

最近的研究發現二維材料中導帶能穀的手性具有優良的量子資訊存儲以及傳遞特性，因此單層半導體中的能穀電子被認為可以用於未來的超低功耗、超薄量子器件。然而，這種利用能穀電子進行的量子計算目前只能在極低溫（即液氮溫度或以下）的環境中進行。隨著溫度的升高，單層半導體中不同手性的能穀之間有著快速的電子交換，使得其量子資訊難以在室溫進行處理。

美國德州大學奧斯丁分校的鄭躍兵教授所帶領的研究團隊及合作者將單層二硒化鎢嵌入莫爾手性超材料中，實現了在室溫下對二維材料能穀中的電子運動進行基於手性的調控。相關結果發表在Advanced Materials上。

這種選擇性的調控得益于莫爾手性超材料中的手性表面等離激元。受激發的能穀電子在能帶躍遷時能夠發出攜帶能穀手性的圓偏振光。當這種能帶活動發生在手性表面等離激元的近場作用範圍內時，其躍遷速率會受到超材料中的Purcell效應的影響。由於莫爾超材料本身具有可調的光學近場手性， 其Purcell效應對手性相反的能穀具有不同的調製作用。

基於這種原理，鄭教授團隊裡的博士後伍子龍（文章第一作者）精密設計了具有不同手性的莫爾超材料，從而在室溫下實現對單層二硒化鎢中手性能穀電子的躍遷進行選擇性的調製。手性能穀電子躍遷的調製可以通過光致發光的圓偏振性進行檢測。為深入理解其中物理過程並推廣到其它的表面等離超材料，伍子龍提出了一個物理模型對手性能谷電子的調製進行分析和預判。

得益於對物理過程的理解和莫爾超材料受周圍環境的極性的可調形變，鄭教授的團隊進一步實現了對手性能谷電子躍遷的動態調控，如光致發光的手性開關和動態光譜位移。伍子龍博士認為表面等離激元超材料在室溫下對單層半導體中能穀電子基於手性的調控提供了一種新穎而有效的對量子資訊進行處理的方法。該項研究發現將有助於能谷電子學的未來研究及其在超薄量子器件中的應用。

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