由加州大學河濱分校物理學家領導的一個國際研究小組揭示了Valley電子學中一種新的量子過程，這種過程可以加快這項相當新的技術發展。valleytronics是“谷”和“電子”的組合，在半導體的電子能帶結構中使用局部能量最小值（谷）。當前半導體技術使用電子電荷或自旋來存儲和處理信息。然而，在一些半導體中，電子的能量最小值谷用於編碼、處理和存儲信息。Valleytronic系統具有提供優於基於電荷和自旋半導體技術信息處理方案的潛力。
加州大學河濱分校領導的研究小組專注於單層二硒化鎢(WSe2)，這是一種具有兩個不同電子谷的二維半導體。激發電子傾向於鬆弛並在其中一個谷中積累，以獲得一個谷指數(K或K‘)。谷指數可以用來表示1和0來編碼信息，就像電荷在當前技術中使用一樣。
激子和三角子也可以佔據單層WSe2中的谷，並用於傳輸谷信息。激子是電子和電子空穴的量子束縛態，三角子是三個帶電粒子的量子束縛態。單層WSe2具有不同自旋構型的亮和暗激子或三角子；亮迅速衰減為光，而暗衰減緩慢為光。
領導這項研究的加州大學河濱分校物理和天文學系助理教授春洪“約書亞”呂(Chun Hung“Joshua”Lui)說：Valley電子學的發展需要穩定谷狀態和容易識別的谷指數。單層WSe2中的暗激子和三角子，比普通亮激子和三角子具有更長的壽命和更好的谷穩定性。因此，暗激子和三角子是極好的Valley電子應用候選者。直到現在還沒有方法可以讀取暗激子和三角子的谷指數，因為它們從任一谷發射的光具有完全相同的能量和偏振，使得這兩個谷彼此難以區分。
研究小組現在已經通過確定一個可測量的物理量來克服這個障礙，這個物理量可以區分暗激子和三角子的兩種谷值指數。研究人員在單層WSe2中觀察到一種新的暗激子和三子衰變過程，這使科學家們能夠確定它們的谷指數，一個暗激子或三角子可以衰變成一對具有獨特谷號的光子和聲子。光子是電磁波的量子，當電磁場振盪或旋轉時，它可以具有線性或手性極化。電磁場的旋轉方向決定了手性光子是右手性還是左手性，同樣，聲子是材料中原子振動的量子。
原子振動通常涉及原子的線性振動，但在某些特殊情況下，原子可以旋轉產生所謂的手性聲子。原子旋轉方向決定了手性聲子是右手性聲子還是左手性聲子。研究發現K谷中的暗激子衰變為右手性光子和左手性聲子，而相反K‘谷中的暗激子衰變為左手性光子和右手性聲子，發射光子的是暗激子和三角子谷指數的明顯特徵。讀取暗態谷的能力可以促進對暗態谷動力學的探索和在谷電子技術中的應用。這項研究發表在《物理評論研究》期刊上。
博科園｜研究/來自：加州大學河濱分校
參考期刊《物理評論研究》
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.1.032007
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