一种新型通用光基技术用于控制散装材料的谷偏振

固体材料内的电子只能吸收一定的能量值。允许的能量范围称为“能带”，它们之间的空间(禁止的能量)称为“带隙”。两者共同构成了材料的“能带结构”，这是每种特定材料所独有的特性。

当物理学家绘制能带结构时，他们通常会看到所得的曲线类似于山脉和山谷。事实上，能带中局部能量最大值或最小值的技术术语称为“谷”，而研究和利用材料中的电子如何从一个谷切换到另一个谷的领域被称为“谷电子学”。

在标准半导体电子学中，电子电荷是用于编码和操作信息的最常用属性。但这些粒子具有其他属性，也可用于相同目的，例如它们所在的谷。在过去的十年中，谷电子学的主要目标是达到控制谷种群(也称为谷极化)的目的。材料。

这样的成就可以用来创建经典和量子门和比特，这可以真正推动计算和量子信息处理的发展。

之前的尝试存在一些缺陷。例如，用于操纵和改变谷偏振的光必须是共振的;也就是说，其光子(构成光的粒子)的能量必须与该特定材料的带隙能量精确对应。

任何小的偏差都会降低该方法的效率，因此，假设每种材料都有自己的带隙，推广所提出的机制似乎是遥不可及的。此外，这一过程仅针对单层结构(二维材料，只有一个原子厚)实现。

这一要求阻碍了其实际实施，因为单层通常在尺寸和质量上受到限制并且难以设计。

图片来源：ICFO

现在，ICFO研究人员IgorTyulnev、JulitaPoborska和LenardVamos博士在ICREAJensBiegert教授的领导下，与马克斯·波恩研究所、马克斯·普朗克光科学研究所和德国研究所的研究人员合作马德里材料科学学院发现了一种新的通用方法，可以在中心对称散装材料中诱导谷极化。

这一发现发表在《自然》杂志上，开启了控制和操纵山谷人口的可能性，而不受特定所选材料的限制。

同时，该方法可用于获得晶体和二维材料的更详细的表征。

散装材料中的谷极化是可能的

这次冒险始于ICFOJensBiegert的ICREA教授领导的实验小组，他们最初希望按照ÁlvaroJiménez之前的理论论文中理论证明的思路，在2D材料中使用其特殊方法实验性地产生谷偏振、鲁伊·席尔瓦和米沙·伊万诺夫。

为了进行实验，对块状MoS2(一种由许多单层堆叠在一起制成的块状材料)进行了初步测量，令人惊讶的结果是他们看到了谷极化的特征。“当我们开始研究这个项目时，我们的理论合作者告诉我们，在散装材料中显示谷极化是不可能的，”波博斯卡解释道。

理论团队还指出，他们的模型一开始只适用于单个二维层。“乍一看，添加更多层似乎会阻碍样本中特定谷的选择。然而，在第一个实验结果之后，我们将模拟调整为散装材料，并且它出人意料地很好地验证了观察结果。我们甚至没有尝试去拟合任何东西，结果就是这样。”理论领袖MishaIvanov教授补充道。

谷极化效应示意图，其中入射三叶草场(紫色)在块体材料MoS2中引起谷极化。这种效应可以通过相对于材料旋转磁场来控制。图片来源：ICFO

最后，“事实证明，是的，由于对称条件，你实际上可以对中心对称的块体材料进行谷极化，”Poborska总结道。

正如该文章的第一作者IgorTyulnev所解释的那样，“我们的实验包括产生一个具有适合这种内部结构的偏振的强光脉冲。结果就是所谓的“三叶形场”，其对称性与三角形子场相匹配。构成异原子六方材料的晶格。”

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，所得的配置取决于三叶形场相对于材料的方向。因此，“通过简单地旋转入射光场，我们就能够调制谷偏振”，Tyulnev总结道，这是该领域的一项重大成就，并证实了一种可以控制和操纵块状材料中电子谷的新型通用技术。

实验过程

实验主要分为三个步骤：一是三叶草场的合成;然后是它的表征;最后是谷极化的实际生产。

研究人员强调，表征过程所需的精度极高，因为三叶形场不仅由一个光场组成，而且由两个相干组合的光场组成。其中一个必须在一个方向上圆偏振，另一个必须是第一束光束的二次谐波，以相反的旋向偏振。他们将这些场相互叠加，以便总偏振随时间追踪所需的三叶形。

最初的实验尝试三年后，伊戈尔·图尔涅夫(IgorTyulnev)对最近发表的《自然》杂志感到兴奋不已。这种新的通用方法的出现在这样一本著名的期刊上，正如他所说，“它不仅可以用来控制多种化学物质的性质，还可以用来表征晶体和二维材料。”

正如ICFOJensBiegert的ICREA教授所说：“我们的方法可能为设计节能材料提供重要的成分，以实现高效的信息存储和快速切换。这满足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，但这可能是应对这一巨大挑战的一个解决方案。”