南京大學物理學院彭茹雯教授和王牧教授研究組在手性超構表面調控二維材料異質結谷極化研究中取得重要進展。該研究團隊通過構造雙手性超構表面，實現了對二維材料異質結中層間激子谷極化的高效調控，并創新性地將二維材料中的谷極化應用于光通信領域。該項研究展示了手性超構表面對二維材料異質結中谷極化的高效調控，推動發展基于谷電子學的光通信系統。
 

　　單層的過渡金屬硫化物由于其空間反演對稱性的破缺以及強自旋-軌道耦合，導致其能帶中出現簡并但不等價的兩個谷電子態K與K'，為信息編碼與信息存儲提供了新的自由度。此前研究已表明，在單層二硫化鉬、二硒化鉬、二硫化鎢和二硒化鎢中，層內激子展現出谷極化的光致發光。然而，層內激子超快的谷退極化過程(皮秒尺度)限制了器件性能。為了解決這一問題，研究者將不同的單層過渡金屬硫化物堆疊成范德瓦爾斯異質結，所產生的層間激子展現出比層內激子更長的谷壽命(納秒級)。盡管如此，層間激子的谷極化度仍然較低，因此提升異質結材料中層間激子的谷極化度很受人們關注。
 

　　彭茹雯教授和王牧教授研究組長期致力于光與微納結構相互作用研究。最近，該研究團隊創新性地設計并制備出一種雙手性超構表面，并將其與單層WS2/WSe2異質結相集成，對異質結中層間激子的谷極化進行了高效調控。他們首先給出利用雙手性超構表面增強二維材料異質結中層間激子谷極化的實現方案和物理原理(見圖1(上))。該雙手性超構表面包含： L-MS為η形金納米天線陣列，R-MS為其鏡像陣列，中間部分為分隔區。由于手性珀塞爾效應，L-MS能夠增強σ?偶極子的自發輻射率，而R-MS則能增強σ+偶極子的自發輻射率，從而實現該體系中層間激子谷極化的增強。實驗上，他們將單層WS2/WSe2異質結與雙手性超構表面相集成，測量結果證實單層WS2/WSe2異質結集成雙手性超構表面以后，層間激子的谷極化度顯著提高(見圖1(下))。進一步地，當激發波長接近620納米時，在σ?激發光下，異質結中的層間激子的圓二色性從13%增加到38%，在σ+激發光下，WS2/WSe2異質結中的層間激子的圓二色性的絕對值從11%增加到32% (圖2(左))。在此基礎上，他們將該雙手性超構表面與二維材料異質結相集成的器件用于光通信系統，實現了基于谷極化的光信號傳輸(圖2(右))。
 

　　該工作提出并實驗證實了雙手性超構表面對二維材料異質結中層間激子谷極化的顯著調控能力。研究表明，通過手性珀塞爾效應，雙手性超構表面可以增強和翻轉層間激子谷極化，無需借助外部電場、磁場或精細的轉角控制。實驗還證實，雙手性超構表面與二維材料異質結相集成的器件可用于光學信息傳輸，實現基于谷極化的直接傳輸與字節反轉傳輸兩種模式。該集成器件體積小、制備工藝兼容性好，能夠顯著增強信息傳輸過程中數據的穩定性，同時提升信息傳輸過程中錯誤檢測能力。該工作將手性超構表面與二維材料異質結體系集成，為發展谷電子器件開拓出獨特途徑。
 

　　圖1.構建雙手性超構表面增強二維材料異質結中層間激子谷極化的實現方案示意(上圖)；雙手性超構表面的掃描電子顯微鏡照片以及實驗測量得到的溫度為298K和77K情形下集成了雙手性超構表面的WS2/WSe2異質結樣品的光致發光譜和圓二色性譜(下圖)。
 

　　圖2.實驗測量得到77K溫度下集成了雙手性超構表面的WS2/WSe2異質結樣品的光致發光激發譜及圓二色性譜(左圖)； 利用雙手性超構表面與WS2/WSe2異質結的集成實現基于谷極化的光通信系統示意圖以及通信檢測結果(右圖)。
 

　　相關成果以題為 “Tailoring valley polarization of interlayer excitons in van der Waals heterostructure toward optical communication” 發表在 Nano Letters。該項工作由南京大學彭茹雯和王牧研究組完成。南京大學物理學院博士生朱毅是該論文的第一作者，碩士生鄒孔亮、祁冬祥博士是該論文的共同第一作者，已畢業的何捷博士參與了該工作，彭茹雯教授和王牧教授是該論文的通訊作者。該研究獲得國家重點研發計劃和國家自然科學基金委的資助，同時得到南京大學固體微結構物理全國重點實驗室、物理學院、人工微結構科學與技術協同創新中心、江蘇省物理科學研究中心等支持。