研究背景
圓偏振光（CPL）的全范圍、高靈敏度和可集成檢測對于量子信息處理、先進成像系統和光學傳感技術至關重要。然而，主流的CPL探測器依賴于手性吸收材料，因此存在響應波長有限、響應度低和區分比差的問題。鑒于此，新加坡南洋理工大學高煒博教授以及新加坡國立大學仇成偉教授、中國科學技術大學chenyang合作在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Chiral light detection with centrosymmetric-metamaterial-assisted valleytronics”的最新論文。在這里，他們提出了一種利用谷材料的手性光檢測器，觀察由手性光攜帶的自旋角動量。精心設計的中心對稱超材料可以保持光學自旋角動量的符號，并在近場大幅增強其強度，作為將極化電子注入谷材料的介質，隨后通過谷霍爾效應進行檢測。這使得通過谷電子晶體管在室溫下實現高靈敏度的紅外CPL檢測，并將檢測波長擴展到紅外范圍。該方法為手性光檢測開辟了新途徑，并為谷電子學在光電傳感中的潛在應用提供了見解。
研究亮點
1.實驗首次通過中心對稱等離子體超材料轉移光的自旋角動量至二維過渡金屬硫化物（TMDs）電子自旋，得到了紅外圓偏振光（CPL）的高靈敏度檢測結果。2.該研究首次通過設計的中心對稱等離子體超材料成功實現了CPL自旋角動量的傳輸，將其傳遞給二維材料中的電子自旋，并利用該效應在室溫下進行紅外波段CPL檢測。這一方法顯著擴展了傳統CPL檢測的波長范圍，并提高了靈敏度，特別是在紅外波段。3.實驗通過基于谷物材料的場效應晶體管（FET）檢測CPL，實現了高效的谷霍爾電壓響應，得到了波長范圍為1,550nm時的高響應性結果。4.通過使用單層MoS2和少層MoTe2等二維材料場效應晶體管（FET），實驗展示了CPL的谷霍爾電壓響應。在1,550nm波長下，MoS2和MoTe2材料分別展示了高達7.5 V·W?1和41.7 V·W?1的響應性，證明了這一新型檢測方法在紅外CPL檢測中的潛力。 5.實驗通過將超材料與二維TMD材料集成，解決了傳統吸收材料存在的帶隙限制問題，有效拓寬了CPL檢測的波長范圍。
圖文解讀
圖2: 單層MoS2谷電子晶體管中， 谷霍爾效應VHE的產生和檢測。
結論展望
本文提出了一種利用圓偏振光（CPL）光學自旋角動量（SAM）生成自旋極化電子的方法，該方法在二維過渡金屬二硫化物（TMDs）中誘導谷極化，并通過谷霍爾效應產生谷霍爾信號。該方法依賴于非手性超材料設計，可以檢測手性光，并相較于傳統的谷器件中的手性結構設計，展現出以下獨特的優勢：
（1）擴展的響應帶寬：響應帶寬由超材料的結構設計決定，而不是TMDs本身的可見光吸收；
（2）增強的霍爾效應：研究者的設計可以顯著增強霍爾效應，使其在室溫下可觀察，并產生比之前更大的霍爾電壓；
（3）優異的檢測特性：研究者的谷電子晶體管能夠實現比TMD吸收極限（紅外帶）更靈敏的CPL檢測，并且在室溫下表現出低暗電流、低噪聲和高開關比。這為控制TMDs谷極化的設計提供了新的思路和參考。
然而，作為光電探測器，谷器件在響應度和探測性方面仍存在不足，無法與其他類型的設備相比。值得注意的是，這項工作代表了首次在CPL探測器中應用谷霍爾效應，并展示了將谷霍爾效應應用于芯片級紅外CPL探測器的可行性，為谷電子學的應用提供了更多可能性。Jiang, H., Zhang, Y., An, L. et al. Chiral light detection with centrosymmetric-metamaterial-assisted valleytronics. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02155-4
