近年來，二維材料由於其獨特的性質，受到世界範圍內不同領域學者的廣泛關注。其中，過渡金屬二硫化物（TMDC）單層材料由於反演對稱性破缺和三重旋轉對稱性，產生一個類似自旋的谷自由度（valley degree of freedom），可開發谷電子學應用，有望成為下一代量子信息科學的重要載體。但是亮激子的壽命非常短，一般只有幾到幾十皮秒，成為開發其應用潛能的最大挑戰。近日，我校化學化工學院任天輝教授課題組博士後李志鵬及其合作者在ACS Nano撰寫了題為「Momentum-Dark Intervalley Exciton in Monolayer Tungsten Diselenide Brightened via Chiral Phonon」的研究論文(ACS Nano, doi.org/10.1021/acsnano.9b06682)。研究發現在高質量的BN/WSe2/BN三明治結構器件中，谷間激子（電子和空穴分別位於不同能谷）可以通過低溫光致發光光譜 (PL)進行探測，並推論其發光機制：谷間激子和位於K點手性LO(E')聲子的相互作用，通過發射一個手性聲子，電子躍遷到位於K的一個虛擬態並與K點的空穴複合發出圓偏光，這是因為來自手性聲子的贗角動量傳遞到了發射的光子，從而可以探測出谷信息（如圖1所示）。因此，谷間激子成為一個同時具備暗激子的長壽命和亮激子的谷自旋特性的全新激子態，為開發下一代量子信息處理和存儲器件提供堅實基礎。
圖 1 BN/WSe2/BN三明治結構器件谷間激子和手性聲子LO(E')相互作用示意圖及其不同靜電摻雜下的PL特性
該工作上海交通大學化學化工學院作為第一完成單位，並同海內外高校和研究機構進行充分合作，李志鵬博士，博士生王天盟和金晨皓博士是論文的共同一作。任天輝教授，史夙飛教授和張力發教授作為共同通訊作者。此外，佛羅裡達州立大學的博士生陸正光，華盛頓大學的曹霆教授，日本的Taniguchi和Watanabe 博士，亞利桑那州立大學的Tongay教授和美國國家高磁實驗室的Smirnov博士也參與了此項工作。相關工作得到國家自然科學基金青年科學基金項目（51902196）和上海市「科技創新行動計劃」青年科技英才揚帆計劃項目（19YF1425200）的經費支持。
論文連結：
Momentum-Dark Intervalley Exciton in Monolayer Tungsten Diselenide Brightened via Chiral Phonon
Zhipeng Li, Tianmeng Wang, Chenhao Jin, Zhengguang Lu, Zhen Lian, Yuze Meng, Mark Blei, Mengnan Gao, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Tianhui Ren, Ting Cao, Sefaattin Tongay, Dmitry Smirnov, Lifa Zhang, Su-Fei Shi
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06682