利用表面等離激元干涉實(shí)現(xiàn)納米尺度的能谷調(diào)制

近日，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在國際頂級(jí)期刊《Nano Letters》上發(fā)表了題為“Nanoscale Valley Modulation by Surface Plasmon Interference”（利用表面等離激元干涉實(shí)現(xiàn)納米尺度的能谷調(diào)制）的研究論文。論文提出通過面內(nèi)相干的表面等離激元干涉（SPI）場(chǎng)來激發(fā)和調(diào)制激子，在納米尺度實(shí)現(xiàn)了對(duì)激子能谷自由度的編輯與檢測(cè)，為未來集成化、小型化半導(dǎo)體能谷器件的研發(fā)提供了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

隨著半導(dǎo)體先進(jìn)制程逼近摩爾定律的極限，光電器件的尺寸到達(dá)納米量級(jí)，傳統(tǒng)的理論在逐步失效，而小尺寸器件中的新機(jī)理逐漸成為器件性能提升的機(jī)遇。能谷是半導(dǎo)體材料能帶的極值點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)激發(fā)的電子-空穴對(duì)（即激子）在不同能谷中的分布，可以像調(diào)節(jié)電荷正負(fù)或自旋上下等自由度一樣編輯或儲(chǔ)存信息，且多自由度可并行復(fù)用，因此提高了光電子器件單位面積的處理效率。在過渡金屬硫化物（TMDC）中，能谷可以通過光學(xué)方式選擇性調(diào)控，但受光學(xué)衍射極限影響，該方法無法實(shí)現(xiàn)納米尺度的精確調(diào)控。

論文首次利用表面等離激元干涉場(chǎng)的激勵(lì)方式，在基于化學(xué)方法合成的單晶金微米板等離激元異質(zhì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)局域激子態(tài)納米尺度的可控調(diào)節(jié)。通過構(gòu)筑納米級(jí)周期性點(diǎn)陣光源，利用其激發(fā)置于納米微腔中的TMDC材料，通過相位延遲調(diào)節(jié)微腔中的SPI模式，實(shí)現(xiàn)材料中激子谷自由度的任意調(diào)控和編碼。這種激勵(lì)方式具有更緊湊的光斑體積和更豐富的模式選擇性，并可用于陣列器件的并行調(diào)制中。

此項(xiàng)工作揭示了表面等離激元干涉場(chǎng)模式與能谷激子態(tài)的耦合機(jī)理，突破了光學(xué)衍射極限的限制，為在納米尺度實(shí)現(xiàn)能谷激子量子態(tài)的調(diào)控提供了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。有望建立小型化、集成化的全光能谷器件平臺(tái)，未來可應(yīng)用于光子集成芯片技術(shù)、智能量子信息調(diào)控、納米顯微操控、光量子信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域。該論文的理論和實(shí)驗(yàn)工作均在東南大學(xué)完成，電子科學(xué)與工程學(xué)院顯示中心博士生周桓立為第一作者，張彤教授為通訊作者。該研究得到了國家自然基金面上項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“信息光子技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)等的資助。

審核編輯 ：李倩