由加州大學(xué)河濱分?？茖W(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組，首次觀察到了電子的谷之間一種新型過(guò)渡方式的光發(fā)射，這種過(guò)渡方式被稱為谷間傳輸，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。

這項(xiàng)研究提供了一種讀出谷信息的新方法，有可能促進(jìn)新型設(shè)備的出現(xiàn)。當(dāng)前的半導(dǎo)體技術(shù)使用電子電荷或自旋來(lái)存儲(chǔ)和處理信息；相關(guān)技術(shù)分別稱為電子學(xué)和自旋電子學(xué)。

一些半導(dǎo)體在其電子能帶結(jié)構(gòu)中含有可用于編碼、處理和存儲(chǔ)信息的局部能谷，從而產(chǎn)生了一種稱為電子學(xué)的新技術(shù)。領(lǐng)導(dǎo)了對(duì)單層二硒化鎢(WSe2)谷間轉(zhuǎn)變研究的加州大學(xué)河濱分校物理和天文學(xué)系助理教授雷春紅(Chun Hung“Joshua”Lui)說(shuō)：除了傳統(tǒng)的電子學(xué)和自旋電子學(xué)之外，vallettronics還提供了另一種設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)的途徑，新研究可以加快電子學(xué)的發(fā)展。

激子

單層WSe_2在能帶結(jié)構(gòu)中具有兩個(gè)動(dòng)態(tài)特性相反的谷，是一種很有前途的谷電子材料。此外，這種材料可以與光產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，有望用于光學(xué)可控電子學(xué)領(lǐng)域。當(dāng)單層WSe2吸收光子時(shí)，束縛的電子可以在谷中釋放，留下電子空位或空穴。由于空穴的行為就像一個(gè)帶正電荷的電子，電子和空穴可以相互吸引，形成一種被稱為激子的束縛態(tài)。這樣的激子，它的電子和空穴都在同一個(gè)谷中，稱為谷內(nèi)激子。

目前對(duì)單層谷半導(dǎo)體中激子的研究，主要集中在可以發(fā)光的谷內(nèi)激子。電子和相對(duì)谷中的空穴也可以形成激子，稱為谷間激子，這是電子電子學(xué)中的一種新成分。然而，動(dòng)量守恒定律禁止相對(duì)谷中的電子和空穴直接復(fù)合發(fā)光。因此，谷間激子是“暗的”，隱藏在光譜中。加州大學(xué)河濱分校領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，現(xiàn)在已經(jīng)觀察到了單層WSe2中谷間激子的光發(fā)射。盡管谷間激子本質(zhì)上是暗的，但它們可以在材料中的缺陷或晶格振動(dòng)下發(fā)出大量的光。

帶有缺陷或晶格振動(dòng)的散射，可以補(bǔ)償相反山谷中電子和空穴之間的動(dòng)量失配，從而可以觀察到谷間激子的發(fā)光。實(shí)驗(yàn)室博士后研究員、研究的第一作者劉爾福(音譯)說(shuō)：雖然這個(gè)過(guò)程涉及缺陷或晶格振動(dòng)的散射，但谷間的光發(fā)射是圓偏振，這種圓光偏振使我們能夠識(shí)別激子谷的構(gòu)型，這種光學(xué)可讀的谷構(gòu)型對(duì)于使谷間激子可用于谷間激子的應(yīng)用至關(guān)重要。

三重奏

除了激子，單層WSe2還含有三重粒子，由兩個(gè)電子和一個(gè)空穴或兩個(gè)空穴和一個(gè)電子組成。三重粒子也有定義良好的谷配置，適用于valley tronic應(yīng)用。與電荷中性激子相比，三重粒子的運(yùn)動(dòng)可以由電場(chǎng)控制。三重粒子通常可以通過(guò)兩條路徑衰變，例如，對(duì)于一個(gè)由谷內(nèi)電子-空穴對(duì)和對(duì)谷中空穴組成的三重粒子衰變，電子可以選擇與同谷中的空穴或與對(duì)谷中的空穴復(fù)合。

這導(dǎo)致了兩種不同的三重粒子衰變路徑，谷內(nèi)和谷間電子-空穴復(fù)合。谷內(nèi)三重粒子衰變已被廣泛研究，但谷間三重粒子衰變至今未見(jiàn)報(bào)道。加州大學(xué)河濱分校領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首次展示了谷間三重粒子衰變。雖然三重粒子可以通過(guò)谷內(nèi)或谷間衰變來(lái)衰變，但這兩種躍遷具有相同的能量，在光譜中很難區(qū)分，但當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，谷內(nèi)和谷間躍遷的能量將變得不同。

研究小組在佛羅里達(dá)州塔拉哈西的國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，它們同時(shí)顯示了三個(gè)單元的谷內(nèi)和谷間衰變路徑。其研究結(jié)果提供了單層WSe2中三重粒子動(dòng)力學(xué)更完整、多路徑的圖景，研究人員建立在現(xiàn)有二維材料中三重粒子的單路徑描述基礎(chǔ)上，是進(jìn)一步發(fā)展基于三重粒子電子的谷科學(xué)和技術(shù)的關(guān)鍵。

博科園｜研究/來(lái)自：加州大學(xué)河濱分校

研究發(fā)表期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.196802

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