利用表面等离激元干涉实现纳米尺度的能谷调制

近日，东南大学电子科学与工程学院研究团队在国际顶级期刊《Nano Letters》上发表了题为“Nanoscale Valley Modulation by Surface Plasmon Interference”（利用表面等离激元干涉实现纳米尺度的能谷调制）的研究论文。论文提出通过面内相干的表面等离激元干涉（SPI）场来激发和调制激子，在纳米尺度实现了对激子能谷自由度的编辑与检测，为未来集成化、小型化半导体能谷器件的研发提供了理论与实验基础。

随着半导体先进制程逼近摩尔定律的极限，光电器件的尺寸到达纳米量级，传统的理论在逐步失效，而小尺寸器件中的新机理逐渐成为器件性能提升的机遇。能谷是半导体材料能带的极值点，通过调节激发的电子-空穴对（即激子）在不同能谷中的分布，可以像调节电荷正负或自旋上下等自由度一样编辑或储存信息，且多自由度可并行复用，因此提高了光电子器件单位面积的处理效率。在过渡金属硫化物（TMDC）中，能谷可以通过光学方式选择性调控，但受光学衍射极限影响，该方法无法实现纳米尺度的精确调控。

论文首次利用表面等离激元干涉场的激励方式，在基于化学方法合成的单晶金微米板等离激元异质结构波导中实现了对局域激子态纳米尺度的可控调节。通过构筑纳米级周期性点阵光源，利用其激发置于纳米微腔中的TMDC材料，通过相位延迟调节微腔中的SPI模式，实现材料中激子谷自由度的任意调控和编码。这种激励方式具有更紧凑的光斑体积和更丰富的模式选择性，并可用于阵列器件的并行调制中。

此项工作揭示了表面等离激元干涉场模式与能谷激子态的耦合机理，突破了光学衍射极限的限制，为在纳米尺度实现能谷激子量子态的调控提供了理论与实验基础。有望建立小型化、集成化的全光能谷器件平台，未来可应用于光子集成芯片技术、智能量子信息调控、纳米显微操控、光量子信息存储等领域。该论文的理论和实验工作均在东南大学完成，电子科学与工程学院显示中心博士生周桓立为第一作者，张彤教授为通讯作者。该研究得到了国家自然基金面上项目、国家重点研发计划“信息光子技术”重点专项等的资助。

审核编辑 ：李倩