一种新型的基于光的通用技术：控制体材料中的谷极化

ICFO团队与国际合作伙伴在《自然》杂志上报告了一种新的方法，首次以非特定材料的方式在中心对称的体材料中实现谷极化。

这种“通用技术”可能在控制和分析二维和三维材料的不同性质方面具有重大应用，进而推动信息处理和量子计算等前沿领域的发展。

物质内的电子只能具有某些能量值。允许的能量范围称为“能带”，它们之间的空间，即禁止的能量，则被称为“能隙”。它们共同构成了材料的“能带结构”，这是每种特定材料的独特特征。

物理学家绘制能带结构时通常会发现结果曲线类似于山脉和峡谷。事实上，能带中的局部能量最大值或最小值的技术术语称为“谷”，研究和利用材料中电子如何从一个谷到另一个谷切换的领域被称为“谷电子学”。

标准半导体电子学中，电子的电荷是最常用的用于编码和操纵信息的属性。但是这些粒子还有其他属性，也可以用于相同的目的，比如它们所处的谷。在过去的十年中，谷电子学的主要目标是实现对材料中的谷极化（也称为谷极化）的控制。这样的成就可以用来创建经典和量子门以及位，这将推动计算和量子信息处理的发展。

先前的尝试存在一些缺点。例如，用于操纵和改变谷极化的光必须是共振的，也就是说，其光子（构成光的粒子）的能量必须恰好对应于该特定材料的能隙的能量。任何小的偏差都会降低该方法的效率，因此，鉴于每种材料都有其自己的能隙，推广所提出的机制似乎是难以实现的。此外，这个过程之前只在单层结构（2D材料，仅一层原子厚度）中实现过。这个要求阻碍了其实际实施，因为单层通常在大小、质量和工程上都有限。

现在，ICFO研究人员Igor Tyulnev、Julita Poborska、Lenard Vamos博士，由ICREA Jens Biegert教授领导，与来自马克思·波恩研究所、马克斯·普朗克光科学研究所和马德里材料科学研究所的研究人员合作，找到了一种新的通用方法，在中心对称的体材料中诱导谷极化。这一发现发表在《自然》杂志上，解锁了在不受特定选择材料的限制下控制和操纵谷极化的可能性。同时，这种方法可以用于更详细地表征晶体和二维材料。

谷极化在体材料中是可能的

这一历程始于ICREA教授Jens Biegert在ICFO领导的实验组，他最初想要用他们的特殊方法在2D材料中实验产生谷极化，这与之前Álvaro Jiménez、Rui Silva和Misha Ivanov的理论论文中的理论证明一致。为了设置实验，最初的测量尝试是在MoS2（一种由许多单层堆积而成的体材料）上进行的，令人惊讶的是，他们看到了谷极化的迹象。“当我们开始研究这个项目时，我们的理论合作者告诉我们，在体材料中显示谷极化是相当不可能的。” Julita Poborska解释道。

理论团队也指出，起初，他们的模型只适用于单个2D层。“乍一看，增加更多层会妨碍样品中特定谷的选择。但在第一批实验结果后，我们调整了模拟以适用于体材料，结果出奇地验证了观察结果。我们甚至没有尝试适配任何东西，这就是情况。”理论领导Misha Ivanov教授补充道。“最后，结果证明，实际上，你可以通过对称条件谷极化中心对称的体材料。”Poborska总结道。

正如文章的第一作者Igor Tyulnev所解释的那样，“我们的实验包括创建一个强光脉冲，其极化适合这种内部结构。结果是所谓的‘三叶草场’，其对称性与构成异质原子六角材料的三角形亚晶格相匹配。”

这种对称匹配的强场打破了材料内的空间和时间对称性，更重要的是，结果配置取决于三叶草场相对于材料的方向。“通过简单地旋转入射光场，我们能够调制谷极化。”Tyulnev总结道，这是该领域的一项重大成就，也证实了一种可以控制和操纵体材料中电子谷的新型通用技术。

实验过程

实验可以分为三个主要步骤：首先是三叶草场的合成；然后是其表征；最后是实际的谷极化产生。

研究人员强调表征过程需要非常高的精度，因为三叶草场不仅由一个光场构成，而是由两个相干组合的光场构成。其中一个必须是单向圆偏振的，另一个必须是第一个光束的二次谐波，带有相反手性的偏振。他们将这些场叠加在一起，使得时间上的总极化跟踪所需的三叶草形状。

在最初实验尝试三年后，Igor Tyulnev对最近在《自然》杂志上发表的成果感到非常激动。

他表示，这种新的通用方法“不仅可以用于控制各种化学物种的性质，还可以用于表征晶体和二维材料。”

正如ICREA教授Jens Biegert所言：“我们的方法可能为设计高效信息存储材料和快速开关提供重要的工程元素。这解决了对低能耗设备和提高计算速度的迫切需求。我不能保证我们提供的是解决方案，但这可能是这个重大挑战中的一个解决方案。”