7月14日，清华大学电子工程系宁存政教授和孙皓副研究员团队在《自然·通讯》(Nature Communications) 发表了题为“利用栅压调控激子向三子的转化延长单层碲化钼的能谷极化寿命”（Prolonging valley polarization lifetime through gate-controlled exciton-to-trion conversion in monolayer molybdenum ditelluride）的研究论文。文章提出了通过电学调控激子向带电激子（三子）的转化改变材料中主要的去极化通道，从而将单层碲化钼（MoTe2）的能谷寿命从皮秒提升了三个量级达到纳秒尺度。此外，首次在无磁场条件下观测单层MoTe2的谷极化荧光，在电学调控下分别实现激子与三子的能谷极化率为38 %和33 %。该工作揭示了激子和三子的能谷动力学以及多种去极化通道之间相互影响的作用机制，为延长能谷极化提供了有效的策略。
栅压调控的二维半导体器件结构（左）；激子与三子不同的谷内（intravalley）和谷间（intervalley）衰减通道的示意图（右）。
能谷是固体中电子能带的极小点，通过控制电子在不同能谷中的分布，即谷自由度，可以对信息进行编码和处理。谷自由度是对电子的电荷和自旋两个内禀自由度的扩展，由于能谷电子不产生电荷流，因此可以用于实现小尺寸、低功耗、非易失的电子器件，并衍生出“能谷电子学”。此外，由于能谷在动量空间分离，能谷电子的信息受到保护，有望应用于量子存储、量子计算等新兴领域。
在二维过渡金属硫族化合物(2D-TMDCs)的六方晶格中，由于特殊的对称性及自旋轨道耦合，能谷与电子自旋的关系永远锁定，因而可以通过光学手段选择性对能谷信息进行操控，为能谷电子学的发展注入了新的活力。能谷极化寿命作为能谷器件的重要指标，是保持粒子在不同能谷中非平衡分布的时间。由于2D-TMDC中激子间的交换作用，其能谷寿命通常只有几个皮秒，这极大地限制了能谷自由度的应用，而激子在结合另外一个电荷形成三子后，其谷寿命显著增加。本文创新提出利用栅压调控将激子转化为三子，首次将单层MoTe2中的谷极化寿命从皮秒量级提升至纳秒量级，为谷极化信息的操控和存储奠定了重要的物理基础。
单层MoTe2的发光位于硅吸收透明的近红外波段。因此相比于其他位于可见光波段的TMDC，单层MoTe2材料在片上集成的能谷应用方面更具有研究价值。然而，现有实验报道实现单层MoTe2的能谷荧光极化一般需要强磁场条件，不利于集成谷电子器件的实用化发展。本文提出在近共振光学激发条件下，采用成熟的栅压调控器件结构，将单层MoTe2中激子和三子的能谷极化分别提升到38%和33%，达到了此前其他文章在超强磁场下极化水平的报道结果，从而证明了MoTe2材料在片上谷电子器件领域的应用潜力。此外，本文还为单层TMDC中的能谷相关的多体相互作用提供了丰富的理解，为推进硅基集成的能谷应用奠定了物理基础。
本文结果与报道的其他单层TMDC结果进行对比：（a）能谷极化率随近共振失谐能量变化的结果；（b）能谷极化寿命的结果。
本文的理论和实验工作均在清华大学完成，清华大学电子工程系为论文第一单位。宁存政教授为本文通讯作者，电子工程系博士生张琪瑶与孙皓副研究员为文章共同第一作者。其他作者包括电子工程系博士生唐嘉铖、戴星灿老师及王震博士。本研究得到了国家重点研发项目、北京自然科学基金、国家自然科学基金，北京市未来芯片技术高精尖创新中心、北京市信息科技国家中心和清华大学自主科研经费的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31672-y
