南京大学物理学院彭茹雯教授和王牧教授研究组在手性超构表面调控二维材料异质结谷极化研究中取得重要进展。该研究团队通过构造双手性超构表面，实现了对二维材料异质结中层间激子谷极化的高效调控，并创新性地将二维材料中的谷极化应用于光通信领域。该项研究展示了手性超构表面对二维材料异质结中谷极化的高效调控，推动发展基于谷电子学的光通信系统。相关成果以题为 “Tailoring valley polarization of interlayer excitons in van der Waals heterostructure toward optical communication” 发表在 Nano Letters。
单层的过渡金属硫化物由于其空间反演对称性的破缺以及强自旋-轨道耦合，导致其能带中出现简并但不等价的两个谷电子态K与K'，为信息编码与信息存储提供了新的自由度。此前研究已表明，在单层二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨和二硒化钨中，层内激子展现出谷极化的光致发光。然而，层内激子超快的谷退极化过程（皮秒尺度）限制了器件性能。为了解决这一问题，研究者将不同的单层过渡金属硫化物堆叠成范德瓦尔斯异质结，所产生的层间激子展现出比层内激子更长的谷寿命（纳秒级）。尽管如此，层间激子的谷极化度仍然较低，因此提升异质结材料中层间激子的谷极化度很受人们关注。
彭茹雯教授和王牧教授研究组长期致力于光与微纳结构相互作用研究。最近，该研究团队创新性地设计并制备出一种双手性超构表面，并将其与单层WS2/WSe2异质结相集成，对异质结中层间激子的谷极化进行了高效调控。他们首先给出利用双手性超构表面增强二维材料异质结中层间激子谷极化的实现方案和物理原理（见图1（上））。该双手性超构表面包含： L-MS为η形金纳米天线阵列，R-MS为其镜像阵列，中间部分为分隔区。由于手性珀塞尔效应，L-MS能够增强σ−偶极子的自发辐射率，而R-MS则能增强σ+偶极子的自发辐射率，从而实现该体系中层间激子谷极化的增强。实验上，他们将单层WS2/WSe2异质结与双手性超构表面相集成，测量结果证实单层WS2/WSe2异质结集成双手性超构表面以后，层间激子的谷极化度显著提高（见图1（下））。进一步地，当激发波长接近620纳米时，在σ−激发光下，异质结中的层间激子的圆二色性从13%增加到38%，在σ+激发光下，WS2/WSe2异质结中的层间激子的圆二色性的绝对值从11%增加到32% （图2（左））。在此基础上，他们将该双手性超构表面与二维材料异质结相集成的器件用于光通信系统，实现了基于谷极化的光信号传输（图2（右））。
该工作提出并实验证实了双手性超构表面对二维材料异质结中层间激子谷极化的显著调控能力。研究表明，通过手性珀塞尔效应，双手性超构表面可以增强和翻转层间激子谷极化，无需借助外部电场、磁场或精细的转角控制。实验还证实，双手性超构表面与二维材料异质结相集成的器件可用于光学信息传输，实现基于谷极化的直接传输与字节反转传输两种模式。该集成器件体积小、制备工艺兼容性好，能够显著增强信息传输过程中数据的稳定性，同时提升信息传输过程中错误检测能力。该工作将手性超构表面与二维材料异质结体系集成，为发展谷电子器件开拓出独特途径。
图1.构建双手性超构表面增强二维材料异质结中层间激子谷极化的实现方案示意（上图）；双手性超构表面的扫描电子显微镜照片以及实验测量得到的温度为298K和77K情形下集成了双手性超构表面的WS2/WSe2异质结样品的光致发光谱和圆二色性谱（下图）。
图2.实验测量得到77K温度下集成了双手性超构表面的WS2/WSe2异质结样品的光致发光激发谱及圆二色性谱（左图）； 利用双手性超构表面与WS2/WSe2异质结的集成实现基于谷极化的光通信系统示意图以及通信检测结果（右图）。
该项工作由南京大学彭茹雯和王牧研究组完成。南京大学物理学院博士生朱毅是该论文的第一作者，硕士生邹孔亮、祁冬祥博士是该论文的共同第一作者，已毕业的何捷博士参与了该工作，彭茹雯教授和王牧教授是该论文的通讯作者。该研究获得国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助，同时得到南京大学固体微结构物理全国重点实验室、物理学院、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省物理科学研究中心等支持。
相关文章链接为: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c01583 。