博士生侯世坤同学在国际Top期刊ACS Nano上发表论文

      近日，课题组成员侯世坤同学在刘老师的指导下，以第一作者在国际TOP期刊ACS Nano(IF=16))上发表题为 “Ferroelectric Control of Interlayer Excitons Enables Nonvolatile Quantum Photonic Memory in 2D Heterostructures”(铁电调控层间激子实现二维异质结构中的非易失性量子光子存储)的实验论文。

图：铁电调控层间激子实现二维异质结构中的非易失性量子光子存储

      范德华(vdW)材料由原子级薄层通过弱层间作用力堆叠而成，为构建具备高度可调电子与光学性质的量子体系提供了多功能平台。其中，单层过渡金属二硫属化物(TMDs)因强库仑相互作用、减弱的介电屏蔽效应以及量子限域效应而备受关注，这些特性共同导致了结合能极高的强束缚激子。尤其是由不同TMD单层垂直堆叠形成的Ⅱ型vdW异质结，可产生层间激子——即电子和空穴分别局域在不同层中。这种空间分离赋予层间激子超长寿命、强面外偶极矩以及对外电场和磁场的高度敏感性，使其成为实现量子光子存储、激子电路和可重构谷电子逻辑器件的理想候选。然而，层间激子器件的实际应用仍受限于缺乏对激子性质的稳定、可逆且多维度的调控手段。现有方法——如静电栅控、应变调控和化学掺杂——虽在调节激子能级、偶极取向和复合动力学方面取得了一定成效，但往往存在易失性问题，一旦外部刺激撤除，激子态便会回到初始状态。此外，应变与掺杂可能引发不可逆的晶格畸变或削弱材料稳定性，且其调控深度有限。更重要的是，现有方法大多针对单一激子参数，难以实现多参数的协同可编程调控，而这对于可重构逻辑和多功能量子器件至关重要。因此，亟需开发一种能够在保持材料完整性的同时，实现非易失、可逆和多因素调控的新策略。

      在本研究中，我们提出了一种铁电可重构vdW异质结，由单层MoSe₂、WSe₂和CuInP₂S₆(CIPS)薄片组成，可通过内禀电掺杂实现可编程的非易失激子调控。在光激发下，MoSe₂/WSe₂界面产生长寿命的层间激子，而CIPS层则依赖于Cu⁺离子在外加偏压下的位移，形成向上(Pup)或向下(Pdown)的双稳铁电极化态。这两种极化态分别作为可逆的P型和N型原位掺杂源，可将层间激子能量调控约11.4 meV，同时引发发射强度、线宽和谷极化的相应变化。我们在循环偏压下观测到清晰的激子响应铁电滞回现象，表明其具备可切换和保持的激子态。更为重要的是，该调控在外加磁场下依然保持稳定，可实现谷极化与塞曼劈裂的可调谐控制。基于这一稳健、磁场稳定且非易失的调控机制，我们进一步展示了一个可编程的激子逻辑元件，能够实现时间序列态编码及多维度激子调控，并具备可靠的保持特性。综上所述，本工作建立了一种可扩展、可电学重构的二维异质结平台，为TMDs体系中的量子光子存储与谷电子信息处理提供了新路径，并为未来量子光电子学的发展奠定了基础。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5c11442

• News/Press Release Highlight:

Researchers Unlock Nonvolatile Quantum Photonic Memory Using Ferroelectric Control in 2D Materials

A team of scientists has demonstrated a breakthrough approach to quantum information storage by harnessing ferroelectric control of interlayer excitons in atomically thin materials. Interlayer excitons—electron–hole pairs spanning two different monolayer semiconductors—are uniquely suited for quantum photonics due to their long lifetimes and strong dipole interactions. Yet, until now, reliably storing and reprogramming excitonic states has remained a challenge.

In the new study, researchers engineered a heterostructure composed of MoSe₂, WSe₂, and the ferroelectric crystal CuInP₂S₆ (CIPS). By exploiting the bistable polarization of CIPS, which arises from reversible movement of copper ions, the team achieved persistent and reversible doping at the interface of MoSe₂/WSe₂ layers. This built-in electric field allowed deterministic tuning of exciton energy, emission strength, and valley polarization—properties that remained stable even under strong magnetic fields.

Most strikingly, the team realized an optically reprogrammable excitonic memory element capable of retaining binary logic states without continuous power input. This demonstration marks a significant step toward scalable, nonvolatile exciton-based devices, laying the groundwork for future electrically programmable quantum optoelectronic and valleytronic technologies.