北理工教授在單層WSe2量子發(fā)射體中谷對稱性缺失方面取得研究成果
發(fā)布日期：2023-07-24 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院 攝影：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：楊婧 審核：陳棋 閱讀次數(shù)：作為一種典型的二維半導(dǎo)體材料，過渡金屬硫族化合物（TMD）在近紅外至可見光波段下，單層原子厚度為直接帶隙，這使得其在光子學(xué)、光電子學(xué)中引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。
在動量空間中，費米能級附近的電子會存在一種新的自由度，即谷。眾所周知，奇數(shù)層TMD材料具有空間反演對稱性破缺及時間反演對稱性，所以會存在不等價的兩類能谷K和K’（通常是簡并的）；然而由于自旋-軌道劈裂，為滿足時間反演對稱性，單層TMD材料出現(xiàn)一種特殊的光選擇規(guī)則，可以操控能谷自由度—— 谷電子學(xué)。
近年來，二維半導(dǎo)體中的量子發(fā)射體（QEs）作為一種有前景的量子光源引起了人們的極大研究興趣。攜帶自旋和角動量等內(nèi)部自由度的量子發(fā)射體（QEs）的單光子發(fā)射在量子光學(xué)中起著重要的作用。然而，這些QEs是否具有與離域化的谷激子相同的谷物理特征仍在爭論中。此外，對于這種量子發(fā)射體的潛在應(yīng)用仍有待探索。有鑒于此，近日，北京大學(xué)許秀來教授，北京理工大學(xué)黃元教授和中科院物理所王燦研究員（共同通訊作者）等合作通過與手性等離激元納腔的相互作用，展示了單層WSe2量子發(fā)射體中谷對稱性缺失的實驗證據(jù)，該工作在《Nature Communications》上發(fā)表（題目：“Revealing broken valley symmetry of quantum emitters in WSe2 with chiral nanocavities”）。
在該工作中，耦合后QEs的反常磁光光譜表明，在兩個不同的塞曼劈裂峰上，發(fā)射光子的螺旋度保持一致，即發(fā)射光子的偏振態(tài)是由手性納腔調(diào)制的，而不是由谷依賴的光學(xué)選擇定則調(diào)制的。腔量子電動力學(xué)的計算進一步證明了內(nèi)在谷保護特性的缺失。手性納腔依賴的圓偏振單光子輸出也為手性量子光學(xué)的未來應(yīng)用提供了一種策略。不僅如此，該工作還開發(fā)了一種在單個量子水平上控制光物質(zhì)相互作用的技術(shù)，表明了在手性量子光學(xué)中的潛在應(yīng)用。
上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金等支持。
論文詳情與鏈接：
Revealing broken valley symmetry of quantum emitters in WSe2 with chiral nanocavities (Nat. Commun., 2023, DOI:10.1038/s41467-023-39972-7)
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39972-7
圖1. 手性等離激元納腔對谷對稱性缺失的量子發(fā)射體(QE)的偏振調(diào)控過程。
圖2. 手性等離激元共振與單個量子發(fā)射體之間的耦合。
圖3.手性等離激元晶格L1處QEs的圓偏振分辨的磁光光譜(磁場方向垂直于樣品表面)。
圖4. 測量到的磁場依賴的圓極化自由度。
圖5. 量子發(fā)射體與手性等離激元耦合體系的動力學(xué)研究與求解。
附作者簡介：
黃元，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域集中在二維材料的制備、表征、器件加工和物性測量/調(diào)控等方向。近年來，黃元與合作者在物理、化學(xué)、材料、信息和地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域開展了一系列交叉科學(xué)研究。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters，ACS Nano, Nano Letters等共計發(fā)表SCI論文120余篇，其中第一作者（含共一）及通訊作者文章60余篇，論文總引用5700余次。主持國家重點研發(fā)計劃（青年項目），主持國家基金委優(yōu)秀青年基金和面上項目，重慶市杰出青年基金項目。2019年入選中科院青促會會員，2020年入選中科院青促會數(shù)理分會理事，2020年獲中國科協(xié)“中國十大科技新銳人物”榮譽稱號，2021年獲中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎創(chuàng)新獎二等獎(排名第一)，2022年獲中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)成果獎二等獎（排名第二）；2023年獲日內(nèi)瓦發(fā)明展覽會銀獎（排名第一）。擔(dān)任Physical Review Letters，Nature Communications, ACS Nano, Nano Letters，《物理學(xué)報》等國內(nèi)外知名期刊審稿人；擔(dān)任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年編委。
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