北理工教授在單層WSe2量子發射體中谷對稱性缺失方面取得研究成果
發布日期：2023-07-24 供稿：前沿交叉科學研究院 攝影：前沿交叉科學研究院
編輯：楊婧 審核：陳棋 閱讀次數：作為一種典型的二維半導體材料，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、光電子學中引起了眾多學者的關注。
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材料出現一種特殊的光選擇規則，可以操控能谷自由度—— 谷電子學。
近年來，二維半導體中的量子發射體（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部自由度的量子發射體（QEs）的單光子發射在量子光學中起著重要的作用。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，對于這種量子發射體的潛在應用仍有待探索。有鑒于此，近日，北京大學許秀來教授，北京理工大學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量子發射體中谷對稱性缺失的實驗證據，該工作在《Nature Communications》上發表（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，發射光子的螺旋度保持一致，即發射光子的偏振態是由手性納腔調制的，而不是由谷依賴的光學選擇定則調制的。腔量子電動力學的計算進一步證明了內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的未來應用提供了一種策略。不僅如此，該工作還開發了一種在單個量子水平上控制光物質相互作用的技術，表明了在手性量子光學中的潛在應用。
上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金等支持。
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射體(QE)的偏振調控過程。
圖2. 手性等離激元共振與單個量子發射體之間的耦合。
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. 量子發射體與手性等離激元耦合體系的動力學研究與求解。
附作者簡介：
黃元，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，博士生導師。主要研究領域集中在二維材料的制備、表征、器件加工和物性測量/調控等方向。近年來，黃元與合作者在物理、化學、材料、信息和地質科學領域開展了一系列交叉科學研究。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters，ACS Nano, Nano Letters等共計發表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。主持國家重點研發計劃（青年項目），主持國家基金委優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理分會理事，2020年獲中國科協“中國十大科技新銳人物”榮譽稱號，2021年獲中國發明協會發明創業獎創新獎二等獎(排名第一)，2022年獲中國發明協會發明創業成果獎二等獎（排名第二）；2023年獲日內瓦發明展覽會銀獎（排名第一）。擔任Physical Review Letters，Nature Communications, ACS Nano, Nano Letters，《物理學報》等國內外知名期刊審稿人；擔任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年編委。
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