作者：陆培祥

2022年10月3日，《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）在线刊发了陆培祥教授创新研究群体的一项国际合作成果《Chirality-dependent, unidirectional routing of WS2 valley photons in a nanocircuit》。王凯教授、陆培祥教授和新加坡国立大学仇成伟教授合作，首次实现了基于混合纳米波导的WS2谷光子的保真传输与定向分发。

目前，现代微纳加工技术的日趋成熟，芯片尺寸已达到几纳米量级，逼近其理论极限。所以，如何突破电子能耗及量子效应的限制，发展新型电子功能器件是科研界和产业界的研究热点。众所周知，电子具有两个内禀自由度，即电荷和自旋。基于这两个自由度，人们发展了当今广泛应用的电子技术和日渐成熟的自旋电子学。近年来，单层过渡金属二硫化物（TMDC）等二维材料中因其具有特殊反演对称性，形成了一个额外的自由度：能谷赝自旋（K和K'），是晶体布洛赫电子能带的极值点。与传统电子器件相比，能谷电子器件可具有更低的能耗和更快的处理速度。然而，由于能谷的退极化寿命极短且迁移率很小，如何实现能谷信息的保真传输是目前制约能谷器件发展的关键难题。在之前研究中[Science 359, 443-447 (2018); Nat Photonics 13, 180-184 (2019); ACS Nano 15, 18163-18171 (2021)]，研究者通过能谷（K和K'）与特定波导模式传输方向之间的锁定，成功实现两个能谷的分离，但能谷信息也随之丢失，无法对其进行后续处理。

针对这个难题，我们创新性地设计并制备了Au-WS2-SiO2-TiO2混合波导（如图1a-c）。该波导在WS2激子波段上（630 nm）同时支持两个传输模，两个传输模都局域在SiO2间隙层中，称为间隙模式(Gap mode)。当位于SiO2间隙层中的单层WS2受到激发时，其能谷 (K和K')可等效视为具有相反旋性的圆极化电偶极子，并可同时激发这上述两种间隙模。这两种间隙模式由于具有不同的有效波矢neff，在传输中会叠加产生拍频波（Beating wave）。如图1d，能谷K和K'的相反赝自旋所激发的拍频波具有镜像对称的模式分布，这样能谷信息就被编码保存在拍频波光子的手性分布中，数值模拟结果显示其能谷保真度(FVP)高达到98%以上。作为对照，如果波长设定为泵浦光的波长810 nm，此时该混合波导只支持一个间隙模式，因而不会产生拍频波（图1e）。

图1

这种基于混合微纳波导的新方案为能谷信息的后处理奠定了基础。如图2，我们构建了一种“Y”型谷光子路由器，成功实现了能谷信息的定向选择性分发。通过控制入射泵浦光的圆偏振，可在输入端选择性地激发K或K’谷激子。具体来说，当K’谷激子被激发时，其谷光子会定向分发到输出端B；当K谷激子被激发时，其谷光子则会定向分发到输出端A。仿真计算结果显示，能谷路径选择比VS = (IA – IB) / (IA + IB)高达到0.92，而实际测量值也达到了0.46，这主要由物镜聚焦后的泵浦光斑尺寸因素导致的，可通过进一步缩小泵浦光斑尺寸改善。而在该混合波导将光场约束在间隙形成的纳腔中，具有很小的模式面积和很大的Purcell因子，所以单层WS2中谷间散射造成的能谷退激化效应的得到较好抑制。

图2

该工作首次实现了能谷信息的保真传输与定向分发，为下一步搭建大规模谷电子器件网络提供了解决方案。更重要的是，这种谷电子-光子混合器件为在芯片上同时集成谷电子器件、自旋电子器件与片上光子器件，构建自旋-能谷-光子混合系统提供了新思路。

该论文的通讯作者是王凯教授、陆培祥教授和新加坡国立大学的仇成伟教授，我校20级博士生钱树航为共同第一作者，我校为第一完成单位。

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01217-x

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