单层二硫化钼的谷选择圆偏振光吸收性质的研究

《自然 - 通讯》（Nature Communications）最近发表了6163银河线路检测中心国际量子材料科学中心冯济研究员和王恩哥教授等及中国科学院物理研究所、半导体研究所合作的文章“Valley-selective circular dichroism of monolayer molybdenum disulphide”[Nature Communications3, 887 (2012)](http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n6/abs/ncomms1882.html)。这项研究工作首次从理论上预言，并从实验上证实了单层二硫化钼的谷选择圆偏振光吸收性质，这一结果对新一代电子学—谷电子学的发展意义重大。

对新型材料新奇量子特性的探索在现代科学研究中具有重要意义，它不但帮助人们认识物理学规律，还为高新技术的发展推波助澜。对称性和拓扑结构在近期对新型量子材料的探索备受关注。在这方面，一个著名的例子是石墨烯（graphene）中高度对称的蜂窝结构。这一特殊结构引发了类似相对论量子体系中狄拉克费米子的诸多新奇量子行为。而其发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。如果我们打破石墨烯的空间反演对称性，理论上可以得到具备手性的低能电子激发。然而，这个极具应用潜力的理论概念一直没有取得实验的验证。

在这篇文章中，冯济研究员等通过第一性原理计算研究，对于单层二硫化钼的光吸收进行了研究分析。这项工作表明，单层二硫化钼的能带在六边形布里渊区的顶点附近拥有“谷”状结构，而相邻顶点的谷并不等价，它们分别吸收左旋光和右旋光，其选择性近乎完美。这一结论得到了中国科学院合作者在实验上的证实。课题组还对单层二硫化钼的光致谷极化效应以及潜在的谷霍尔效应进行了分析。

这项研究首次发现了材料中谷的旋光选择性，对于新一代电子学—谷电子学的发展具有极其重要的意义。此前，谷电子学应用的最大挑战，即谷极化尚未在单层原子薄膜中实现，而单层二硫化钼的谷选择性圆偏振光吸收特征恰恰解决了这一问题。材料的光霍尔效应更为单层二硫化钼中光电子学与谷电子学应用构筑了桥梁。

此工作的第一作者为王恩哥教授与冯济研究员指导的元培学院本科生曹霆。该论文的通讯作者为冯济研究员和王恩哥教授。其他作者包括6163银河线路检测中心国际量子材料科学中心的施均仁教授、牛谦教授。中国科学院物理研究所、半导体研究所的刘保利和谭平衡研究员设计和完成了验证理论的实验工作。这项研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部等的资助。