單層二硫化钼的谷選擇圓偏振光吸收性質的研究

《自然 - 通訊》（Nature Communications）最近發表了beat365國際量子材料科學中心馮濟研究員和王恩哥教授等及中國科學院物理研究所、半導體研究所合作的文章“Valley-selective circular dichroism of monolayer molybdenum disulphide”[Nature Communications3, 887 (2012)](http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n6/abs/ncomms1882.html)。這項研究工作首次從理論上預言，并從實驗上證實了單層二硫化钼的谷選擇圓偏振光吸收性質，這一結果對新一代電子學—谷電子學的發展意義重大。

對新型材料新奇量子特性的探索在現代科學研究中具有重要意義，它不但幫助人們認識物理學規律，還為高新技術的發展推波助瀾。對稱性和拓撲結構在近期對新型量子材料的探索備受關注。在這方面，一個著名的例子是石墨烯（graphene）中高度對稱的蜂窩結構。這一特殊結構引發了類似相對論量子體系中狄拉克費米子的諸多新奇量子行為。而其發現者獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。如果我們打破石墨烯的空間反演對稱性，理論上可以得到具備手性的低能電子激發。然而，這個極具應用潛力的理論概念一直沒有取得實驗的驗證。

在這篇文章中，馮濟研究員等通過第一性原理計算研究，對于單層二硫化钼的光吸收進行了研究分析。這項工作表明，單層二硫化钼的能帶在六邊形布裡淵區的頂點附近擁有“谷”狀結構，而相鄰頂點的谷并不等價，它們分别吸收左旋光和右旋光，其選擇性近乎完美。這一結論得到了中國科學院合作者在實驗上的證實。課題組還對單層二硫化钼的光緻谷極化效應以及潛在的谷霍爾效應進行了分析。

這項研究首次發現了材料中谷的旋光選擇性，對于新一代電子學—谷電子學的發展具有極其重要的意義。此前，谷電子學應用的最大挑戰，即谷極化尚未在單層原子薄膜中實現，而單層二硫化钼的谷選擇性圓偏振光吸收特征恰恰解決了這一問題。材料的光霍爾效應更為單層二硫化钼中光電子學與谷電子學應用構築了橋梁。

此工作的第一作者為王恩哥教授與馮濟研究員指導的元培學院本科生曹霆。該論文的通訊作者為馮濟研究員和王恩哥教授。其他作者包括beat365國際量子材料科學中心的施均仁教授、牛謙教授。中國科學院物理研究所、半導體研究所的劉保利和譚平衡研究員設計和完成了驗證理論的實驗工作。這項研究得到了國家自然科學基金委、國家科技部等的資助。