北大發現新型二硒化鎢穀極化電子束操控方法

北京大學物理學院方哲宇團隊近日提出了一種基於納米天線的新型二硒化鎢穀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控低維量子材料穀極化，為未來穀電子學、光電存儲、量子資訊等研究提供了新的思路。相關研究成果發表在NatureCommunications。

谷贗自旋作為與半導體材料能帶結構極值相關的內稟特性，為人們調控特定能谷中載流子行為提供了額外的自由度，有望成為新一代的資訊載體。單層二維過渡金屬硫化物材料（TMDs），由於其天然破缺的晶格反轉對稱性導致自旋與能穀耦合，使得人們能夠通過外加圓偏振光場選擇性的激發能穀，已在許多研究領域有著重要的應用。

在TMDs材料中，單層二硒化鎢（WSe2）是具有直接帶隙、相對大的結合能和高載流子遷移率的范德華層狀半導體之一。與MoS2相比，單層WSe2具有更強的自旋-軌道耦合，即它擁有長期穀極化的潛力，表明WSe2是穀電子和量子資訊傳輸的重要材料。

陰極螢光納米顯微技術作為一種非侵入性的表徵方法，具有納米尺度空間解析度和精准的電子束激發能力，已被逐漸應用于金屬納米結構光子局域態密度表徵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材料形成異質結也已實現對單層TMDs材料的陰極螢光探測。

但對金屬納米結構與TMDs材料的複合結構還未有報導，如何在納米尺度精准表徵與操控金屬結構電磁場對單層TMDs材料中載流子行為尤其穀贗自旋的影響是目前研究的難點。

北大研究團隊通過設計結構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/介質複合納米結構，利用入射電子束超高分辨的特點，精准激發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了對低維材料穀極化的操控，利用電子束激發位點的移動在50納米內實現穀極化的“開”和“關”，以及100納米內的穀極化態反轉。

這種深亞波長尺度的穀極化操控，可應用於介觀及量子穀電子學研究中。該工作提出的新型低維量子材料穀極化電子束操控方案，為穀電子學的研究提供了新的研究方法。同時，該工作可指導穀電子器件納米尺度集成，在邏輯運算、光電存儲及未來量子資訊研究中有著重要意義，顯示了金屬等離激元在可見光納米穀電子器件上的巨大應用潛力。該工作得到科技部國家重點研發計畫納米科技重點專項、國家自然科學基金委國家重大科研儀器研製專案等支援。

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