科學家首次實現(xiàn)電子谷自由度的電學調控

　　最近，美國加州大學伯克利分校教授張翔研究組與中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室研究員趙建華研究組等合作，首次在單層過渡族金屬二硫化物(TMDC)材料中實現(xiàn)了電子谷自由度的電學調控。研究成果4月4日在線發(fā)表于《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology，DOI: 10.1038/NNANO.2016.49）。

　　固體材料中的電子具有谷自由度，以谷自由度作為信息載體的器件具有集成度高、運行速度快、能耗低及信息非易失性等特點。近年來，調控TMDC單層材料中電子谷自由度已成為凝聚態(tài)物理領域的研究熱點。

　　目前主要采用光學手段調控TMDC二維材料中電子谷自由度，而利用電學手段調控電子谷自由度是實現(xiàn)谷電子器件的必要條件。在單層TMDC材料中，由于空間反演對稱性破缺和強自旋軌道耦合效應，電子的谷自由度和自旋自由度是相互鎖定的，因此有望在TMDC/鐵磁材料異質結構中，通過電學自旋注入方法實現(xiàn)對TMDC材料電子谷自由度的電學調控。

　　他們利用磁性半導體(Ga,Mn)As作為鐵磁電極實現(xiàn)了對單層TMDC的高效自旋注入，其工作原理如圖1所示。為了獲得較高的自旋注入效率，張翔研究組葉堉等發(fā)展了一種可精確定位干法轉移單層TMDC的技術，在趙建華研究組王海龍制備的垂直易磁化(Ga,Mn)As薄膜上，獲得了高質量的TMDC/(Ga,Mn)As異質結。在該異質結構中，控制(Ga,Mn)As薄膜的磁化方向，便可以調節(jié)注入自旋的極化方向，從而在不同的能谷中產生極化的載流子。谷極化度可以通過電致發(fā)光的自旋極化度進行檢測，如圖2所示。這項工作不僅首次利用電學方法產生和調控了谷載流子，還為谷電子學和自旋電子學的研究搭建了一座橋梁。

　　該項工作得到了美國自然科學基金會、中國科技部和國家自然科學基金委等經費支持。