北大发现新型二硒化钨谷极化电子束操控方法

北京大学物理学院方哲宇团队近日提出了一种基于纳米天线的新型二硒化钨谷极化电子束操控方法，可利用超高分辨电子束操控金属等离激元调控低维量子材料谷极化，为未来谷电子学、光电存储、量子信息等研究提供了新的思路。相关研究成果发表在NatureCommunications。

实验示意图

谷赝自旋作为与半导体材料能带结构极值相关的内禀特性，为人们调控特定能谷中载流子行为提供了额外的自由度，有望成为新一代的信息载体。单层二维过渡金属硫化物材料（TMDs），由于其天然破缺的晶格反转对称性导致自旋与能谷耦合，使得人们能够通过外加圆偏振光场选择性的激发能谷，已在许多研究领域有着重要的应用。

在TMDs材料中，单层二硒化钨（WSe2）是具有直接带隙、相对大的结合能和高载流子迁移率的范德华层状半导体之一。与MoS2相比，单层WSe2具有更强的自旋-轨道耦合，即它拥有长期谷极化的潜力，表明WSe2是谷电子和量子信息传输的重要材料。

阴极荧光纳米显微技术作为一种非侵入性的表征方法，具有纳米尺度空间分辨率和精准的电子束激发能力，已被逐渐应用于金属纳米结构光子局域态密度表征以及辐射光场特性研究。此外，通过薄层六方氮化硼与单层TMDs材料形成异质结也已实现对单层TMDs材料的阴极荧光探测。

但对金属纳米结构与TMDs材料的复合结构还未有报道，如何在纳米尺度精准表征与操控金属结构电磁场对单层TMDs材料中载流子行为尤其谷赝自旋的影响是目前研究的难点。

谷极化的近场控制示意图

北大研究团队通过设计结构对称的纳米天线与六方氮化硼/二硒化钨/六方氮化硼的金属/介质复合纳米结构，利用入射电子束超高分辨的特点，精准激发金属纳米天线的圆偏振偶极电磁模式，通过近场相互作用在纳米尺度实现了对低维材料谷极化的操控，利用电子束激发位点的移动在50纳米内实现谷极化的“开”和“关”，以及100纳米内的谷极化态反转。

这种深亚波长尺度的谷极化操控，可应用于介观及量子谷电子学研究中。该工作提出的新型低维量子材料谷极化电子束操控方案，为谷电子学的研究提供了新的研究方法。同时，该工作可指导谷电子器件纳米尺度集成，在逻辑运算、光电存储及未来量子信息研究中有着重要意义，显示了金属等离激元在可见光纳米谷电子器件上的巨大应用潜力。该工作得到科技部国家重点研发计划纳米科技重点专项、国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目等支持。