科學(xué)家首次實現(xiàn)電子谷自由度的電學(xué)調(diào)控

　　最近，美國加州大學(xué)伯克利分校教授張翔研究組與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)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(xué)調(diào)控。研究成果4月4日在線發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》（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(diào)控TMDC單層材料中電子谷自由度已成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點。

　　目前主要采用光學(xué)手段調(diào)控TMDC二維材料中電子谷自由度，而利用電學(xué)手段調(diào)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(yīng)，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(zhì)結(jié)構(gòu)中，通過電學(xué)自旋注入方法實現(xiàn)對TMDC材料電子谷自由度的電學(xué)調(diào)控。

　　他們利用磁性半導(dǎo)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(zhuǎn)移單層TMDC的技術(shù)，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(zhì)量的TMDC/(Ga,Mn)As異質(zhì)結(jié)。在該異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，控制(Ga,Mn)As薄膜的磁化方向，便可以調(diào)節(jié)注入自旋的極化方向，從而在不同的能谷中產(chǎn)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(xué)方法產(chǎn)生和調(diào)控了谷載流子，還為谷電子學(xué)和自旋電子學(xué)的研究搭建了一座橋梁。

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