Nature Photonics：二维半导体WSe2，纳米光子界面

手性纳米光子界面Chiral nanophotonic interfaces，能够实现导向光学模式和圆形二向色材料之间传播方向相关的相互作用。界面手性的电调谐，将有助于片上光电和光子电路主动、可切换非互易性，但仍然极具挑战。

近日，美国 芝加哥大学 Alexander A. High团队在Nature Photonics上发文，报道了在原子薄单层二硒化钨tungsten diselenide（WSe2）纳米光子界面中的电可控手性。二氧化钛波导直接制作在低无序氮化硼封装的WSe2表面上。在积分之后，从激子态到波导中的光致发光，可以在平衡发射和定向偏置发射之间电切换。工作原理利用了WSe2中激子态掺杂相关的谷极化。此外，纳米光子波导,可以用作扩散激子通量的近场源，其显示从界面手性继承的谷和自旋极化。这种多功能制造方法，使光子学与范德瓦尔斯异质结构的确定性集成成为可能，并可提供对其激子和电荷载流子行为的光学控制。

Electrically controllable chirality in a nanophotonic interface with a two-dimensional semiconductor

二维半导体的纳米光子界面中的电控手性。

图2：界面静电调谐。

图3：谷极化的栅极依赖性。

图4：谷（自旋）极化激子通量的光子泵浦。

该项研究演示了与六方氮化硼hexagonal boron nitride,hBN封装的、电门控WSe2单层连接的光子波导。界面表现出从0%到20%电可调手性-定向耦合效率chiral–directional coupling efficiency，CDCE，并通过近场激发产生谷（自旋）极化激子通量。

除了线性波导，多功能纳米光子制造方法，可以将过渡金属硫化物TMDCs与更复杂的光子结构连接，其中器件几何形状和尺寸仅，受先进光刻技术限制，使光子环调制器和干涉仪，以及光子晶体中的激子-极化激元成为可能。

结合二维材料大面积生长、剥离和组装的最新进展，这将提高异质结构产量和可扩展性，超越目前限制，这项工作，为其与纳米光子电路的确定性、晶圆级集成，建立了一个通用平台。

重要的是，该界面的可调手性（以前在其他手性光学界面中无法获得）依赖于过渡金属硫化物TMDC单层中激子态掺杂相关的谷动力学。多层和扭曲的范德瓦尔斯异质结构，展示了设计的、奇异的谷特性，也可以与这种波导界面相结合，用于额外手性功能，如栅极可逆发射路由，并提供基于二维材料的新光子逻辑和控制方案。

此外，原子薄半导体中，激子扩散的纳米光子驱动，在分布式光子元件和局部激子电路之间建立了一座桥梁。此外，通过手性过渡金属硫化物TMDC–光子界面的近场光泵浦，可用于产生单层中驻留电荷载流子的自旋极化。这种光学制备的自旋极化电子态，对载流子掺杂水平敏感，可以打破界面时间反演对称性，实现集成纳米光子结构中的栅极激活全光非互易性。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-00971-7

DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-022-00971-7

本文译自Nature。

牛津大学科学家提出了一种建模极化子的新方法，极化子是一种准粒子，物理学家通常用它来理解固体材料中电子与原子之间的相互作用。其新方法研究发表在《物理评论快报》上，将理论建模与计算模拟相结合，从而能够在广泛的材料中深入观察这些准粒子。从本质上讲，极化子是由电子组成的复合粒子，电子被声子云(即晶格振动)包围。这个准粒子比电子本身还重，由于它的质量很大，有时会被困在晶格中。

极化子提供电流，为多种技术工具提供动力，包括有机发光二极管和触摸屏。因此，了解它们的特性至关重要，因为这有助于开发下一代用于照明和光电子的各种设备。进行这项研究的团队负责人费利西亚诺·朱斯蒂诺(Feliciano Giustino)教授说：以前对极化子的研究依赖于理想化数学模型。这些模型对理解极化子的基本性质非常有用，但它们没有考虑到原子尺度上材料的结构，因此当试图研究实际应用的真正材料时，它是不够的。

研究的想法是开发一种计算方法，使对极化子的系统研究具有预测精度。Giustino团队设计的方法是基于密度泛函理论，这是目前最流行的工具，预测材料建模和设计使用量子力学。基于这一理论研究极化子时遇到的主要挑战之一是所需的计算资源(CPU小时)与要模拟原子数的三次方成正比。换句话说，如果一个人在研究两个每单位细胞有10个和20个原子的晶体，那么研究第二个晶体所需的计算时间，将是研究第一个晶体所需时间的8倍。

由于许多极化子的尺寸为1-2纳米，因此研究这些系统的计算需要至少包含3000 - 5000个原子的模拟单元。然而目前计算能力将难以维持这样的模拟，即使使用现代超级计算机，研究这些系统所需的许多计算中的每一个都需要数周时间。该研究的第一作者翁洪萧(Weng Hong Sio)解释说：研究是想试图利用所谓的密度-功能微扰理论的进步，使这一过程更有效。在不深入研究细节的情况下，能够将在大型模拟单元中对极化子进行一次计算的问题。

转变为在晶体最小单元中进行多次计算的更简单的问题，这一战略开辟了以前无法企及的新可能性。Giustino团队设计的方法，可以用来描述大和小的极化子。例如在研究中，研究人员展示了如何用它来计算LiF和Li2O2化合物中极化子的波函数、形成能和光谱分解。利用模拟方法，发现电池中使用简单盐和金属氧化物中的极化子，具有比之前该领域研究表明的更丰富的内部结构。

例如，在典型的氟化锂盐中，人们以前认为极化子是由电子和长光子声子之间的相互作用产生。也就是说晶格振动负责晶体的介电响应，研究发现，这并不是唯一涉及到的声子，电子和压电声子之间的相互作用(即负责压电的振动)也很重要。Giustino团队所收集的观测结果改变了目前对四价锂盐中极化子的看法，这是一个非常简单的系统。将该方法应用到更复杂的系统中，可以揭示出更丰富的结构。

最终增强目前对其性能的理解，并为开发具有定制极化性能的新材料提供信息。在未来研究中，研究人员计划用他们的方法研究其他材料，以便进一步评估其预测能力，更好地理解其他技术上重要的材料。进一步研究极化子功能是很重要的：因为现在知道可以计算极化子的最低能量结构，但是不知道如果极化子受到静电、磁场或电磁辐射会发生什么，此外与实验小组的密切作用将是将这些发现转化为应用的关键。

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