首次观察到：电子的谷之间，有一种新型过渡方式的光发射！

由加州大学河滨分校科学家领导的一个国际研究小组，首次观察到了电子的谷之间一种新型过渡方式的光发射，这种过渡方式被称为谷间传输，其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。这项研究提供了一种读出谷信息的新方法，有可能促进新型设备的出现。当前的半导体技术使用电子电荷或自旋来存储和处理信息；相关技术分别称为电子学和自旋电子学。

一些半导体在其电子能带结构中含有可用于编码、处理和存储信息的局部能谷，从而产生了一种称为电子学的新技术。领导了对单层二硒化钨(WSe2)谷间转变研究的加州大学河滨分校物理和天文学系助理教授雷春红(Chun Hung“Joshua”Lui)说：除了传统的电子学和自旋电子学之外，vallettronics还提供了另一种设计信息系统的途径，新研究可以加快电子学的发展。

激子

单层WSe_2在能带结构中具有两个动态特性相反的谷，是一种很有前途的谷电子材料。此外，这种材料可以与光产生强烈的相互作用，有望用于光学可控电子学领域。当单层WSe2吸收光子时，束缚的电子可以在谷中释放，留下电子空位或空穴。由于空穴的行为就像一个带正电荷的电子，电子和空穴可以相互吸引，形成一种被称为激子的束缚态。这样的激子，它的电子和空穴都在同一个谷中，称为谷内激子。

目前对单层谷半导体中激子的研究，主要集中在可以发光的谷内激子。电子和相对谷中的空穴也可以形成激子，称为谷间激子，这是电子电子学中的一种新成分。然而，动量守恒定律禁止相对谷中的电子和空穴直接复合发光。因此，谷间激子是“暗的”，隐藏在光谱中。加州大学河滨分校领导的研究小组，现在已经观察到了单层WSe2中谷间激子的光发射。尽管谷间激子本质上是暗的，但它们可以在材料中的缺陷或晶格振动下发出大量的光。

带有缺陷或晶格振动的散射，可以补偿相反山谷中电子和空穴之间的动量失配，从而可以观察到谷间激子的发光。实验室博士后研究员、研究的第一作者刘尔福(音译)说：虽然这个过程涉及缺陷或晶格振动的散射，但谷间的光发射是圆偏振，这种圆光偏振使我们能够识别激子谷的构型，这种光学可读的谷构型对于使谷间激子可用于谷间激子的应用至关重要。

三重奏

除了激子，单层WSe2还含有三重粒子，由两个电子和一个空穴或两个空穴和一个电子组成。三重粒子也有定义良好的谷配置，适用于valley tronic应用。与电荷中性激子相比，三重粒子的运动可以由电场控制。三重粒子通常可以通过两条路径衰变，例如，对于一个由谷内电子-空穴对和对谷中空穴组成的三重粒子衰变，电子可以选择与同谷中的空穴或与对谷中的空穴复合。

这导致了两种不同的三重粒子衰变路径，谷内和谷间电子-空穴复合。谷内三重粒子衰变已被广泛研究，但谷间三重粒子衰变至今未见报道。加州大学河滨分校领导的研究小组首次展示了谷间三重粒子衰变。虽然三重粒子可以通过谷内或谷间衰变来衰变，但这两种跃迁具有相同的能量，在光谱中很难区分，但当施加磁场时，谷内和谷间跃迁的能量将变得不同。

研究小组在佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场实验室进行了实验，它们同时显示了三个单元的谷内和谷间衰变路径。其研究结果提供了单层WSe2中三重粒子动力学更完整、多路径的图景，研究人员建立在现有二维材料中三重粒子的单路径描述基础上，是进一步发展基于三重粒子电子的谷科学和技术的关键。

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博科园｜研究/来自：加州大学河滨分校

研究发表期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.196802

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