由加州大學河濱分校科學家領導的一個國際研究小組，首次觀察到了電子的谷之間一種新型過渡方式的光發射，這種過渡方式被稱為谷間傳輸，其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上。這項研究提供了一種讀出谷信息的新方法，有可能促進新型設備的出現。當前的半導體技術使用電子電荷或自旋來存儲和處理信息；相關技術分別稱為電子學和自旋電子學。
一些半導體在其電子能帶結構中含有可用於編碼、處理和存儲信息的局部能谷，從而產生了一種稱為電子學的新技術。領導了對單層二硒化鎢(WSe2)谷間轉變研究的加州大學河濱分校物理和天文學系助理教授雷春紅(Chun Hung“Joshua”Lui)説：除了傳統的電子學和自旋電子學之外，vallettronics還提供了另一種設計信息系統的途徑，新研究可以加快電子學的發展。
激子
單層WSe_2在能帶結構中具有兩個動態特性相反的谷，是一種很有前途的谷電子材料。此外，這種材料可以與光產生強烈的相互作用，有望用於光學可控電子學領域。當單層WSe2吸收光子時，束縛的電子可以在谷中釋放，留下電子空位或空穴。由於空穴的行為就像一個帶正電荷的電子，電子和空穴可以相互吸引，形成一種被稱為激子的束縛態。這樣的激子，它的電子和空穴都在同一個谷中，稱為谷內激子。
目前對單層谷半導體中激子的研究，主要集中在可以發光的谷內激子。電子和相對谷中的空穴也可以形成激子，稱為谷間激子，這是電子電子學中的一種新成分。然而，動量守恆定律禁止相對谷中的電子和空穴直接複合發光。因此，谷間激子是“暗的”，隱藏在光譜中。加州大學河濱分校領導的研究小組，現在已經觀察到了單層WSe2中谷間激子的光發射。儘管谷間激子本質上是暗的，但它們可以在材料中的缺陷或晶格振動下發出大量的光。
帶有缺陷或晶格振動的散射，可以補償相反山谷中電子和空穴之間的動量失配，從而可以觀察到谷間激子的發光。實驗室博士後研究員、研究的第一作者劉爾福(音譯)説：雖然這個過程涉及缺陷或晶格振動的散射，但谷間的光發射是圓偏振，這種圓光偏振使我們能夠識別激子谷的構型，這種光學可讀的谷構型對於使谷間激子可用於谷間激子的應用至關重要。
三重奏
除了激子，單層WSe2還含有三重粒子，由兩個電子和一個空穴或兩個空穴和一個電子組成。三重粒子也有定義良好的谷配置，適用於valley tronic應用。與電荷中性激子相比，三重粒子的運動可以由電場控制。三重粒子通常可以通過兩條路徑衰變，例如，對於一個由谷內電子-空穴對和對谷中空穴組成的三重粒子衰變，電子可以選擇與同谷中的空穴或與對谷中的空穴複合。
這導致了兩種不同的三重粒子衰變路徑，谷內和谷間電子-空穴複合。谷內三重粒子衰變已被廣泛研究，但谷間三重粒子衰變至今未見報道。加州大學河濱分校領導的研究小組首次展示了谷間三重粒子衰變。雖然三重粒子可以通過谷內或谷間衰變來衰變，但這兩種躍遷具有相同的能量，在光譜中很難區分，但當施加磁場時，谷內和谷間躍遷的能量將變得不同。
研究小組在佛羅里達州塔拉哈西的國家高磁場實驗室進行了實驗，它們同時顯示了三個單元的谷內和谷間衰變路徑。其研究結果提供了單層WSe2中三重粒子動力學更完整、多路徑的圖景，研究人員建立在現有二維材料中三重粒子的單路徑描述基礎上，是進一步發展基於三重粒子電子的谷科學和技術的關鍵。
博科園｜研究/來自：加州大學河濱分校
研究發表期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.196802
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