新型光自旋应用的二维材料

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新型光自旋应用的二维材料

由于相似的六方晶体结构，也可以在二维异质结构中进行逐层工程。这种工程方法可以通过结合相互补充的2D系统来利用。例如，在WSe2/Gr异质结构中，用于谷自旋操纵的大自旋-轨道耦合(WSe2)和用于电子器件的高电导(石墨烯)的配对对谷自旋动力学产生了新的影响。因此，逐层工程提出了一种很有前途的方法来构建具有增强控制和检测自旋现象的二维系统。这就促使人们寻找与传统半导体类似或更新颖的二维类似物，这些材料已经产生了大量的自旋电子研究。

几种二维半导体具有适合低维自旋器件的特性，如高电子迁移率和可通过门控调节的载流子密度。例如，基于Gr的器件已经证明了长通道上的自旋输运和自旋进动，并且被预测在没有外场的情况下具有光学产生的自旋极化。不幸的是，由于弱自旋轨道耦合(SOC)的困扰，Gr对OISO的适用范围有限。

具有重要光学和自旋特性的二维材料的典型例子是过渡金属二硫族化合物(TMDs)。强SOC通过光学选择规则为控制赝自旋态创造了条件，再现了自旋材料的许多光学特征。激子和其他载流子可以被偏振光激发成“谷”，这是单层tmd在k空间中分离的直接带隙跃迁。对这些谷偏振态的光学访问模拟了OISO所需的选择规则。谷的应用创造了一个与自旋电子学平行的“谷电子学”，其中基于谷的器件表现出“谷霍尔效应”和强自旋谷锁定，这有利于转移以及信息的长期存储。在tmd中研究的另一个值得注意的特性是，当单层材料放入光学腔中时，会发生强烈的光-物质相互作用。lmountain等人利用光学Stark效应对这一现象进行了实验研究。这项工作显示了在tmd中对极化(光态)进行谷选择控制的丰富潜力。这些激子-极化激子状态在传统半导体中已经广泛存在。因此，lmountain等人帮助进一步证明了谷和自旋之间的相关类比。

然而，即使具有与传统自旋系统类似的特性，tmd也远远不是电子或基于自旋的设备的zui佳选择。TMD的迁移率很小，自旋谷锁定会阻碍在没有非常大的场的情况下自由操纵伪自旋的能力。相比之下，III-V半导体，如GaAs，在体体和受限状态下，由于高移动电子可以在合理的磁-下自由操纵，具有良好的自旋电子性能磁场。蕞终，使这些传统材料成为比tmd更可行的量子信息应用平台。这一现实引发了一个相关的当代问题:是否有一种2D材料具有与传统半导体相当(或更好)的光学、电子和自旋特性。

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