研究背景
能谷是固體中電子能帶的極小點，通過控制電子在不同能谷中的分布，即谷自由度，可以對信息進行編碼和處理。谷自由度是對電子的電荷和自旋兩個內稟自由度的擴展，由于能谷電子不產生電荷流，因此可以用于實現小尺寸、低功耗、非易失的電子器件，并衍生出“能谷電子學”。此外，由于能谷在動量空間分離，能谷電子的信息受到保護，有望應用于量子存儲、量子計算等新興領域。
在二維過渡金屬硫族化合物(2D-TMDCs)的六方晶格中，由于特殊的對稱性及自旋軌道耦合，能谷與電子自旋鎖定，因而可以通過光學手段選擇性對能谷信息進行操控，為能谷電子學的發展注入了新的活力。能谷極化壽命作為能谷器件的重要指標，是保持粒子在不同能谷中非平衡分布的時間。由于2D-TMDC中激子間的交換作用，其能谷壽命通常只有幾個皮秒，這極大地限制了能谷自由度的應用，而激子在結合另外一個電荷形成三子后，其谷壽命顯著增加。
此外，單層MoTe2的發光位于硅吸收透明的近紅外波段。相比于其他位于可見光波段的TMDC，單層MoTe2材料在片上集成的能谷應用方面更具有研究價值。然而，現有實驗報道實現單層MoTe2的能谷熒光極化一般需要強磁場條件，不利于集成谷電子器件的實用化發展。
創新研究
近日，清華大學電子工程系寧存政教授和孫皓副研究員團隊提出了通過電學調控激子向帶電激子（三子）的轉化改變材料中主要的去極化通道，從而將單層碲化鉬（MoTe2）的能谷壽命從皮秒提升了三個量級達到納秒尺度。此外，首次在無磁場條件下觀測單層MoTe2的谷極化熒光，在電學調控下分別實現激子與三子的能谷極化率為38 %和33 %。研究工作揭示了激子和三子的能谷動力學以及多種去極化通道之間相互影響的作用機制，為延長能谷極化提供了有效的策略，在量子計算，量子存儲等領域具有重要應用潛力。
相關成果以“Prolonging valley polarization lifetime through gate-controlled exciton-to-trion conversion in monolayer molybdenum ditelluride”為題，于2022年7月14日發表于《Nature Communications》上。文章的理論和實驗工作均在清華大學完成，清華大學電子工程系為論文第一單位。寧存政教授為本文通訊作者，電子工程系博士生張琪瑤與孫皓副研究員為文章共同第一作者。其他作者包括電子工程系博士生唐嘉鋮、戴星燦老師及王震博士。
研究亮點
本研究工作創新提出利用柵壓調控將激子轉化為三子，結合三子能夠長時間保持谷極化的特點，首次將單層MoTe2中的谷極化壽命從皮秒量級提升至納秒量級，為谷極化信息的操控和存儲奠定了重要的物理基礎。同時，本研究工作提出在近共振的光學激發下，基于柵壓調控結構，首次在無磁場條件下觀測到單層MoTe2能谷極化的熒光。圖1展示了柵壓調控的器件結構，通過柵壓調控激子與三子的比例實現了激子與三子的極化率達到38%和33%。
圖1 柵壓器件結構以及柵壓調控的能谷極化PL結果 （a）器件的結構示意圖（b）橫截面示意圖以及（c）顯微鏡照片。（d）不同柵壓下單層MoTe2的能谷極化熒光譜 （e）激子與三子的能谷極化率隨柵壓的變化趨勢。（f）激子與三子的熒光強度隨柵壓的變化。
圖2（a）展示了在單層MoTe2中激子與三子的多種衰減通道共同影響了能谷極化的衰減，激子與三子的衰減可以分為谷內（intravalley）衰減和谷間（intervalley）衰減，谷內衰減占總衰減的比值決定了能谷極化率的數值。在光泵浦產生了K與K’谷的不平衡分布之后，激子通過超快的電子空穴交換作用在兩個谷達到平衡分布，同時激子發生谷內衰減包括復合和向三子轉化，轉化形成的三子由于難以發生自旋翻轉因此可以保持長時間的能谷極化，因此激子向三子的轉化在能谷極化中具有重要的作用。圖2（b-d）展示了電中性下激子與三子的能谷去極化過程，激子的極化快速消失，而三子的能谷極化維持時間超過600皮秒。
圖2 材料中的能谷極化衰減通道以及時間分辨的泵浦探測結果。（a）激子與三子不同的谷內（intravalley）以及谷間（intervalley）衰減通道示意圖。（b）電中性條件下極化分辨的反射譜隨時間衰減輪廓圖。（c）激子和（d）三子在兩個谷的反射譜隨時間的衰減變化以及極化率（藍點）衰減。
圖3展示了在柵壓調控下單層MoTe2中激子的能谷極化衰減。由于激子谷內與谷間壽命的尺度接近，均在皮秒量級，因此觀測到的能谷極化率有限，隨著柵壓調控促進激子向三子轉化，谷內衰減占據總衰減比例提升，因此激子極化率顯著提升。
圖3 柵壓調控的激子能谷動力學
圖4展示了在柵壓調控下三子的能谷極化衰減。中性下，三子的谷間衰減時間顯著長于谷內衰減，隨著柵壓提高載流子濃度，加速了三子谷間衰減，然而由于激子向三子轉化，激子極化率決定了三子的初始極化率，因此隨著柵壓提高激子極化率，三子的極化也得到了顯著提升。
圖4 柵壓調控的三子能谷動力學
圖5將本文的熒光極化以及能谷壽命結果與其他報道中的結果進行了對比。對于不同的TMDC，能谷極化率隨著近共振失諧能量的提高而降低。在4-125 K低溫條件下，其他TMDC的能谷壽命一般在幾到幾十皮秒量級，本工作中激子的能谷壽命在1-4皮秒，而三子的能谷壽命則達到了1.5納秒，比其他TMDC的能谷壽命更長，對能谷應用來說是非常關鍵的參數。
圖5本文結果與報道的其他單層TMDC結果進行對比：（a）能谷極化率隨近共振失諧能量變化的結果；（b）能谷極化壽命的結果。
總結與展望
綜上，本文提出在近共振光學激發條件下，采用柵壓調控器件結構有效操控激子向三子的轉化，從而改變材料中的主要去極化通道，將單層MoTe2中的谷極化壽命從皮秒提升至納秒量級，并首次在無磁場條件下將激子和三子的能谷極化發光分別提升到38%和33%，達到了此前其他文章在超強磁場下極化水平的報道結果，從而證明了MoTe2材料在片上谷電子器件領域的應用潛力。
未來能谷壽命可以通過使用TMDC 異質結構或轉角結構進行進一步擴展，或者通過與手性超表面或微納光子結構結合，使得能夠有效操縱和檢測谷極化發光特性。此外，本文還為單層TMDC中能谷相關的多體相互作用提供了豐富的理解，為推進硅基集成的能谷應用奠定了物理基礎。
本研究得到了國家重點研發項目、北京自然科學基金、國家自然科學基金、北京市未來芯片技術高精尖創新中心、北京市信息科技國家中心和清華大學自主科研經費的支持。
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文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31672-y
