博士生侯世坤在国际权威期刊Advanced Functional Materials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，以第一作者在国际权威期刊Advanced Functional Materials(影响因子：19.0)上发表题为 “Nonvolatile Electrical Programming of Valley Pseudospins in a Ferroelectric van der Waals Heterostructure ”(铁电范德华异质结中谷伪自旋的非易失性电编程特性)的实验论文。

图：铁电范德华异质结中谷伪自旋的非易失性电编程特性

         硅基电子器件的持续小型化在器件缩放、操作速度和能效方面面临固有的限制，这推动了寻找利用量子自由度（不仅限于电荷和自旋）的替代信息载体的研究。在这些自由度中，山谷自由度——源自电子能带结构中的离散能量极值——直接影响导带或价带边缘附近载流子的动力学，并为信息编码提供了一个可操作的途径。这个概念为新兴的山谷电子学领域奠定了基础，旨在利用山谷伪自旋实现低功耗和高密度的逻辑技术。然而，早期的山谷极化研究主要集中在传统材料上，如硅/绝缘体界面和钻石，这些材料利用载流子散射各向异性来选择性地填充单一山谷。在这些系统中，山谷自由度与外部场的耦合通常较弱，限制了有效操作山谷状态的能力。二维(2D)材料的发现通过提供具有可调对称性和强光物质相互作用的原子薄平台，重新振兴了山谷电子学研究。作为第一个且最广泛研究的例子，石墨烯具有两个不等价的山谷(K 和 −K)，可以通过对称性破缺进行调控，从而产生山谷霍尔效应。尽管这证明了外场控制山谷状态的可行性，但石墨烯的固有零带隙以及有限的山谷分裂限制了其实际应用。

       单层过渡金属二硫化物(TMDs)，如MoS₂和WSe₂，已经成为利用二元山谷自由度的理想平台。它们的直接带隙和固有反转对称性破缺产生了强烈的山谷对比光学选择规则，从而使得山谷伪自旋的高效光学初始化和读出成为可能。此外，显著的自旋轨道耦合将自旋和山谷自由度锁定，抑制了山谷间散射并允许长寿命的山谷极化。这些特性促进了山谷霍尔效应和原型山谷电子器件的稳健演示。然而，实际山谷电子应用的一个核心挑战仍然是缺乏非易失性和能效高的山谷伪自旋控制。现有的策略通常依赖于连续的外部刺激，如静电偏压，这限制了器件的可扩展性和内存能力。因此，建立一种强健的、可电控的、非易失性的山谷状态操控机制，对于实现可扩展的、能效高的山谷电子器件至关重要。

         在此，我们展示了在h-BN封装的MoSe₂/铁电CuInP₂S₆(CIPS)异质结构中，山谷伪自旋的非易失性和电可重构控制。通过集成金微柱电极阵列，我们引入了一种机电调制方案，其中轴对称的微柱产生径向各向同性的应变场，确保与铁电极化的空间均匀和可重复耦合，从而降低开关能垒并提高三重态调制效率。磁光谱学揭示，极化驱动的界面场使得自旋允许的明三重态和自旋禁止的暗三重态之间可逆切换，这一过渡在朗德g因子的调节下从−4.7到−7.8。 在9T磁场下，铁电状态确定性地将MoSe₂的山谷极化在33.4%和69.1%之间切换，实现了35.7%的巨大调制幅度，并保持强健的非易失性保持性。我们利用这一高对比度的控制演示了基于ASCII的信息编码，验证了该平台上数据写入、存储和读出的可靠性。通过协同耦合铁电性和应变工程，我们的工作建立了一个将山谷状态的量子控制与非易失性存储结合的平台。这种方法为开发可扩展、低功耗和可重构的山谷电子学和量子光子技术提供了蓝图。

文章链接: http://doi.org/10.1002/adfm.202528029

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This research paper presents a significant advancement in valleytronic memory and quantum photonics by demonstrating the nonvolatile and electrically programmable control of valley pseudospins in a van der Waals heterostructure made up of monolayer MoSe₂ and ferroelectric CuInP₂S₆ (CIPS). The authors effectively address the longstanding challenge of achieving stable valley polarization without relying on continuous external fields, which had previously hindered the development of valley-based memory systems.

The integration of a gold micropillar electrode array with electromechanical modulation allows for the generation of localized strain gradients, creating flexoelectric fields that facilitate Cu⁺ redistribution and enable efficient control over the excitonic properties of the heterostructure. This approach demonstrates a remarkable degree of control over the valley pseudospins, achieving an impressive 35.7% valley polarization, with high contrast and long-term retention. Moreover, the use of magneto-optical spectroscopy to show the reversible switching between bright and dark trions, coupled with a tunable Landé g-factor, further underscores the robust nature of this system.

The authors' demonstration of ASCII-encoded valley polarization for nonvolatile information storage provides clear evidence of the practical applicability of their work in future memory devices and quantum information technologies. By successfully combining ferroelectricity, strain engineering, and valleytronics, this paper sets the stage for scalable and energy-efficient quantum devices.

Overall, this work not only highlights the potential of valley pseudospins as a quantum information carrier but also presents a versatile platform for reconfigurable valleytronic memory and programmable quantum photonics, marking a crucial step forward in the development of low-power, high-density quantum technologies.