近年來，“谷電子學(xué)”(valleytronics)中的一種新穎載流子自由度——谷自由度引起了廣泛的關(guān)注。類似于電荷和自旋自由度，谷自由度同樣具有可編碼的二元狀態(tài)，以此設(shè)計的一系列新型谷電子器件具有處理速度快、功耗小、集成度高等優(yōu)勢，極大推動了谷電子學(xué)在信息存儲領(lǐng)域的應(yīng)用。基于長期以來對鐵性體系的研究經(jīng)驗，我院童文旖博士此前已經(jīng)在單層二硫族化合物（TMDC）中成功預(yù)言了一類具有自發(fā)谷極化的谷電子體系[1]，稱之為鐵谷體（ferrovalley material）。遺憾的是，由于在前期研究中谷的極化來源于交換場的作用，其極性的翻轉(zhuǎn)依賴磁場這種相對耗能的手段，這顯然不滿足現(xiàn)代信息社會對電子器件節(jié)能性的要求。

眾所周知，利用電學(xué)手段實現(xiàn)對于電子自由度的調(diào)控是新型信息處理器件發(fā)展的大勢所趨，也是當(dāng)今電子學(xué)研究最為活躍的領(lǐng)域之一。相比于傳統(tǒng)的磁場或電流刷新等方式，電場調(diào)控能夠大大降低信息存儲微器件的能耗，提高存儲密度。此外，這種場效應(yīng)技術(shù)與當(dāng)今大規(guī)模集成電路技術(shù)相容，極有可能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。因此，在谷電子學(xué)中利用電學(xué)手段實現(xiàn)對于谷自由度的調(diào)控自然也倍受關(guān)注。正是基于這種考慮，極化材料與器件教育部重點實驗室的研究人員進一步開展研究，探究電學(xué)手段來調(diào)控谷極化的潛在機制。以此為動機，在導(dǎo)師段純剛教授指導(dǎo)下，我院童文旖博士，以及沈心蔚同學(xué)近期相繼在電控鐵谷性的研究上取得進展。

在具有自發(fā)谷極化的TMDC中，通過特殊的層間耦合設(shè)計，他們提出一種雙層反鐵谷體系，從而實現(xiàn)了電控反常谷霍爾效應(yīng)[2]。k·p模型和第一性原理計算顯示，這種調(diào)控機制實現(xiàn)的關(guān)鍵在于谷間的能級簡并度可以通過外加垂直電場來進行可逆操縱。在不施加外場時，由于兩個單層之間的反鐵谷耦合，谷間的能帶結(jié)構(gòu)是能級簡并的，此時的體系具有空間反演對稱性，不存在反常的谷霍爾效應(yīng)。當(dāng)施加一個外加電場時，體系中引入的層間電勢差導(dǎo)致原有的空間反演對稱性被打破，層間子帶將發(fā)生相對移動，從而打破谷間的能級簡并度，最終導(dǎo)致反常谷霍爾效應(yīng)的發(fā)生。不同于鐵谷單層中谷極化起源于內(nèi)稟交換作用，在反鐵谷雙層結(jié)構(gòu)中，谷間的能級簡并度取決于外加電場手段的調(diào)控，谷間的能級劈裂和反常谷霍爾效應(yīng)中霍爾電壓的符號均依賴于外加電場的方向。考慮到反常谷霍爾效應(yīng)本身是電可探測的，因此，在這個雙層體系中就可以通過電場的手段調(diào)控和探測反常谷霍爾效應(yīng)，為實現(xiàn)全電學(xué)讀寫存儲器件提供了一個具有潛力的平臺。以上工作發(fā)表于Nature集團新創(chuàng)立的合作期刊《量子材料》上[npj Quantum Materials 2, 47 (2017)]。  

在谷電子學(xué)研究局限于蜂窩狀結(jié)構(gòu)類型的大背景之下，拓寬材料的備選范圍對最終實現(xiàn)鐵谷體中的電控谷極化非常重要。通過一系列的探索，他們又在單層類黑磷（GIVMs）的低維正交晶格體系中發(fā)現(xiàn)了鐵電性與鐵谷性的共存，成功地將鐵谷體的概念從六角晶格擴展到了正交晶格[3]。在這類新型鐵谷體中，鐵電性的引入打破了谷間的四重反演對稱性，從而產(chǎn)生自發(fā)谷極化，誘導(dǎo)出鐵谷態(tài)。如果通過外加電場手段翻轉(zhuǎn)鐵電極化的方向，那么就可以進一步調(diào)控谷極化的狀態(tài)。不同于六角晶格中的谷選擇圓偏二色性，通過第一性原理計算和群論分析，他們進一步揭示和闡明了該類體系中的光學(xué)性質(zhì)，即谷間光學(xué)躍遷是跟線偏振光耦合在一起的，從而在鐵谷態(tài)時可以觀察到線偏振光相關(guān)的光學(xué)帶隙?；谶@種非簡并的光學(xué)躍遷，他們設(shè)計了一種新型的電控起偏器。在外加電場調(diào)控的鐵谷態(tài)下，x或者y線偏振光可以被選擇性的激發(fā)。不同于傳統(tǒng)機械驅(qū)動的裝置，這種基于鐵谷材料的器件提供了一種更加精確和快速的電控起偏的方法。與此同時，基于二維材料設(shè)計的器件更加符合下一代電子產(chǎn)品小型化和多功能化的需求。因此，這類具有自發(fā)谷極化的二維正交材料作為新型的鐵谷性家族成員，在谷電子和光電子器件方面具有極大的應(yīng)用潛力。該工作發(fā)表于英國物理學(xué)會創(chuàng)辦的二維材料權(quán)威期刊《二維材料》上[2D Materials 5, 011001 (2018)]。

鐵谷體，作為鐵性家族的新成員，本就是全新的概念，而對其中的谷極化利用電學(xué)手段進行調(diào)控更是全新的思路。鐵谷體中電控谷極化的實現(xiàn)，依賴于新型鐵谷性誘導(dǎo)機制的提出，標志著電荷自由度、自旋自由度、谷自由度三者的共存及相互關(guān)聯(lián)。這一系列研究工作不僅契合當(dāng)今電子學(xué)研究的發(fā)展潮流，即利用低能耗、非破壞性的電場控制電子的自由度，更囊括著極深的物理內(nèi)涵。這些工作將幫助我們從本質(zhì)上去理解自發(fā)谷極化的誘導(dǎo)機制，并考慮鐵谷性、鐵電性乃至鐵磁性等多重鐵性之間的耦合，對于多鐵性理論的發(fā)展及其與谷電子學(xué)領(lǐng)域的融合都具有積極的推進意義。在應(yīng)用層面，也將為電控信息記錄元器件、電控光學(xué)元器件等下一代新型功能器件的實現(xiàn)夯實理論基礎(chǔ)。

以上研究項目獲得了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科技創(chuàng)新計劃等資助，計算平臺是華東師范大學(xué)超算中心。