近日，由中國科大陳楊研究員、吳東教授、褚家如教授課題組，華中科大王凱教授、陸培祥教授課題組與新加坡國立大學仇成偉教授課題組組成的聯合團隊在谷電子學與微納光子學交叉領域取得重要進展，首次實現了基于混合納米波導的WS2谷光子的長距離保真傳輸與定向分發。研究成果以“Chirality-dependent, unidirectional routing of WS2 valley photons in a nanocircuit”為題于2022年10月3日發表在Nature Nanotechnology上。
作為現代科技發展的基石，集成電路（IC）技術在過去五十年取得了巨大的成功，其單位面積上可容納的元器件數每隔18個月便會增加一倍，這就是著名的摩爾定律(Moore’s law)。如今，得益于成熟的硅基光刻技術，芯片元件的特征尺寸已經達到了幾納米量級，這也為便攜式電子設備、可穿戴器件、大型存儲與計算產業的發展奠定了基礎。然而，傳統集成電路依賴于電子的電荷自由度，由于能耗和量子效應的影響，其芯片尺寸已經接近理論極限。為了進一步縮小芯片尺寸，延續摩爾定律，尋找新的電子自由度并發展新型電子器件已經成為科研界和產業界的重要研究方向。
實際上，電子除了具有電荷自由度，還具有自旋(spin)和能谷(valley)等內稟自由度。其中，能谷指的是晶體布洛赫電子能帶的極值點，基于能谷的電子器件相比傳統器件有望實現更低的能耗、更少的發熱和更快的處理速度。然而，由于能谷的退極化壽命極短且遷移率很小，能谷信息的長距離保真傳輸問題成為能谷器件發展的關鍵瓶頸。在過往的研究中(Science359,443-447 (2018);Nat Photonics13,180-184 (2019);ACS Nano15,18163-18171 (2021))，研究者通常基于能谷與單個波導模式傳輸方向之間的鎖定(valley-direction locking)，實現兩個不同能谷的分離，然而在分離過程中能谷信息也隨之丟失，無法實現對能谷信息的后處理。
圖1
在這項工作中，我們創新性地設計并制備了Au-WS2-SiO2-TiO2混合波導（圖1a和b），該波導在WS2激子的諧振波長(630 nm)上同時支持兩個傳輸模（Propagation mode），這兩個傳輸模都局域分布在SiO2間隙層中被稱為間隙模式(Gap mode)，且分別具有對稱和反對稱的電場分布（圖2c）。當同樣位于間隙層中的WS2單層受激輻射時，其能谷自由度(K或K’)作為一種贗自旋(pseudospin)可以等效為具有相反旋性的圓極化電偶極子，并可同時激發這兩種間隙模式。由于這兩種間隙模式具有不同的有效波矢neff，它們在傳輸中會疊加產生拍頻波（beating wave），而拍頻周期為l= 2π/ (kGM1–kGM2) = 1261 nm。對應于K和K’能谷的相反贗自旋，其產生的拍頻波具有鏡像對稱的模式分布（圖1d），因而激子的能谷信息被確定性地編碼保存在拍頻波光子的手性分布中，并低損耗地向前傳輸，其能谷保真度(FVP)經計算可以達到98%以上。作為對照，如果圓極化電偶極子的波長設定為泵浦激光的波長810 nm，此時該混合波導只支持一個間隙模式，因而不會產生拍頻波（圖1e）。
圖2
這種攜帶能谷信息的手性拍頻模式為能谷信息的后處理奠定了基礎。我們構建了一種單入雙出的谷光子路由器，實現了能谷信息的定向選擇性分發。通過調制入射泵浦光的圓偏振，我們可以在輸入端選擇性地激發K或K’谷激子。當K’谷激子被激發時，產生的谷光子會定向分發到輸出端B；相反地，當K谷激子被激發時，產生的谷光子則會定向分發到輸出端A（圖2）。通過仿真計算，這種能谷路徑選擇比可以達到0.92，而實際測量值也達到了0.46。經過分析，理論值與測量值之間的偏差主要由入射泵浦光斑的尺寸造成，而WS2中聲子輔助的谷間散射造成的能谷退激化效應的影響則比較微弱，這是由于混合波導在間隙中形成的納腔具有很小的模式面積和很大的Purcell因子，因而谷激子在退極化過程發生前，即通過近場非輻射能量轉移過程耦合激發了間隙模式。
圖3
進一步，我們還展示了能谷信息在三端口環行器中的單向傳輸，對于K’能谷激子，其對應谷光子只能沿逆時針方向在環行器中傳輸；而對于K能谷激子，其對應谷光子只能沿順時針方向在環行器中傳輸（圖3）。
這項研究首次實現了能谷信息的長距離保真傳輸與定向分發，雖然展示的能谷器件功能仍處于初級階段，但其為下一步搭建大規模谷電子器件網絡提供了方案。更重要的是，這種谷電子-光子混合器件為在芯片上同時集成谷電子器件、自旋電子器件與片上光子器件，構建自旋-能谷-光子混合系統提供了新思路。
該論文的第一作者是中國科大的陳楊研究員和華中科大的博士生錢樹航，通訊作者是華中科大的王凱教授、陸培祥教授和新加坡國立大學的仇成偉教授，其中新加坡國立大學的仇成偉教授主導了這項工作的進行，華中科大的陸培祥教授團隊在實驗中付出了全力支持，中國科大的吳東教授和褚家如教授也在研究過程中給予了重要指導。