10月3日，《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）在线刊发了我校陆培祥教授“强场超快光学”创新研究群体的一项国际合作成果“Chirality-dependent, unidirectional routing of WS2valley photons in a nanocircuit”。我校王凯教授、陆培祥教授和新加坡国立大学仇成伟教授合作，首次实现了基于混合纳米波导的WS2谷光子的保真传输与定向分发。
目前，现代微纳加工技术日趋成熟，芯片尺寸已达到几纳米量级，逼近其理论极限。所以，如何突破电子能耗及量子效应的限制，发展新型电子功能器件是科研界和产业界的研究热点。众所周知，电子具有两个内禀自由度，即电荷和自旋。基于这两个自由度，人们发展了当今广泛应用的电子技术和日渐成熟的自旋电子学。近年来，单层过渡金属二硫化物（TMDC）等二维材料中因其具有特殊反演对称性，形成了一个额外的自由度：能谷赝自旋（K和K’），是晶体布洛赫电子能带的极值点。与传统电子器件相比，能谷电子器件可具有更低的能耗和更快的处理速度。然而，由于能谷的退极化寿命极短且迁移率很小，如何实现能谷信息的保真传输是目前制约能谷器件发展的关键难题。在之前研究中，研究者通过能谷（K和K’）与特定波导模式传输方向之间的锁定，成功实现两个能谷的分离，但能谷信息也随之丢失，无法其进行后续处理。
针对这个难题，项目组创新性地设计并制备了Au-WS2-SiO2-TiO2混合波导（如图1a-c）。该波导在WS2激子波段上（630 nm）同时支持两个传输模，两个传输模都局域在SiO2间隙层中，称为间隙模式(Gap mode)。当位于SiO2间隙层中的单层WS2受到激发时，其能谷 (K和K’)可等效视为具有相反旋性的圆极化电偶极子，并可同时激发这上述两种间隙模。这两种间隙模式由于具有不同的有效波矢neff，在传输中会叠加产生拍频波（Beating wave）。如图1d，能谷K和K’的相反赝自旋所激发的拍频波具有镜像对称的模式分布，这样能谷信息就被编码保存在拍频波光子的手性分布中，数值模拟结果显示其能谷保真度(FVP)高达到98%以上。作为对照，如果波长设定为泵浦光的波长810 nm，此时该混合波导只支持一个间隙模式，因而不会产生拍频波（图1e）。
这种基于混合微纳波导的新方案为能谷信息的后处理奠定了基础。如图2，通过构建了一种“Y”型谷光子路由器，成功实现了能谷信息的定向选择性分发。通过控制入射泵浦光的圆偏振，可在输入端选择性地激发K或K’谷激子。具体来说，当K’谷激子被激发时，其谷光子会定向分发到输出端B；当K谷激子被激发时，其谷光子则会定向分发到输出端A。仿真计算结果显示，能谷路径选择比VS = (IA– IB) / (IA+ IB)高达到0.92，而实际测量值也达到了0.46，这主要由物镜聚焦后的泵浦光斑尺寸因素导致的，可通过进一步缩小泵浦光斑尺寸改善。而在该混合波导将光场约束在间隙形成的纳腔中，具有很小的模式面积和很大的Purcell因子，所以单层WS2中谷间散射造成的能谷退激化效应的得到较好抑制。
该工作首次实现了能谷信息的保真传输与定向分发，为下一步搭建大规模谷电子器件网络提供了解决方案。更重要的是，这种谷电子-光子混合器件为在芯片上同时集成谷电子器件、自旋电子器件与片上光子器件，构建自旋-能谷-光子混合系统提供了新思路。
该论文的通讯作者是我校王凯教授、陆培祥教授和新加坡国立大学的仇成伟教授，我校2020级博士生钱树航为共同第一作者，我校为第一完成单位。该工作是超快光学实验室在基金委创新研究群体项目支持下获得的又一重要进展。