Advanced Materials:表面等离超材料中的手性Purcell效应在室温下实现对单层半导体中能谷电子的调控

在传统的半导体电子器件中,电子的传输被用来对信息进行快速运算,从而实现手机和电脑上的各种强大功能。随着芯片发展,这种利用电子在电路中物理运动的信息处理方法面临着无法进一步提升运行速度的瓶颈。其中一个重要的原因就是快速移动电子所产生的热量会使得芯片的耗能增加以及运算能力的降低。因此,近年来研究者们开始寻找方法利用电子的其它特性而非物理移动来进行信息处理。而其中一个十分具有潜力的特性是二维半导体(如单层二硫化钼和二硒化钨等)中能谷电子的自旋方向。由于单层半导体具有反演对称性破缺和强自旋轨道耦合,其电子能带结构产生了特殊的能谷手性特质。简而言之,单层半导体中被激发到导带的电子在其能量最低点具有两种相反的轨道自旋方向。这两种手性相反的轨道自旋分别处于不同的导带能谷中。最近的研究发现二维材料中导带能谷的手性具有优良的量子信息存储以及传递特性,因此单层半导体中的能谷电子被认为可以用于未来的超低功耗、超薄量子器件。然而,这种利用能谷电子进行的量子计算目前只能在极低温(即液氮温度或以下)的环境中进行。随着温度的升高,单层半导体中不同手性的能谷之间有着快速的电子交换,使得其量子信息难以在室温进行处理。

今日,美国德州大学奥斯汀分校的郑跃兵教授所带领的研究团队 (http://zheng.engr.utexas.edu) 及合作者将单层二硒化钨嵌入莫尔手性超材料中,实现了在室温下对二维材料能谷中的电子运动进行基于手性的调控。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201904132)上,并于当期Frontispiece做简要介绍。这种选择性的调控得益于莫尔手性超材料中的手性表面等离激元。受激发的能谷电子在能带跃迁时能够发出携带能谷手性的圆偏振光。当这种能带活动发生在手性表面等离激元的近场作用范围内时,其跃迁速率会受到超材料中的Purcell效应的影响。由于莫尔超材料本身具有可调的光学近场手性, 其Purcell效应对手性相反的能谷具有不同的调制作用。基于这种原理,郑教授团队里的博士后伍子龙(本文第一作者)精密设计了具有不同手性的莫尔超材料,从而在室温下实现对单层二硒化钨中手性能谷电子的跃迁进行选择性的调制。手性能谷电子跃迁的调制可以通过光致发光的圆偏振性进行检测。为深入理解其中物理过程并推广到其它的表面等离超材料,本文作者提出了一个物理模型对手性能谷电子的调制进行分析和预判。得益于对物理过程的理解和莫尔超材料受周围环境的极性的可调形变,郑教授的团队进一步实现了对手性能谷电子跃迁的动态调控,如光致发光的手性开关和动态光谱位移。伍子龙博士认为表面等离激元超材料在室温下对单层半导体中能谷电子基于手性的调控提供了一种新颖而有效的对量子信息进行处理的方法。本文的发现将有助于能谷电子学的未来研究及其在超薄量子器件中的应用。