原子级厚度的机电系统与谷自旋的耦合

Force detectors based on nano and micro-mechanical systems have important applications in sensing and in quantum physics. In particular, they enable the study of rich physical phenomena where electrons interact with a mechanical system by coupling their charge and their spin to the vibrational modes of the system. To explore new electro-mechanical phenomena and develop new powerful applications derived from them, it is important to find ways to couple vibrations with the valley degree of freedom of electrons. To fulfill this goal, we propose to develop ultra-sensitive mechanical force detectors based on monolayer and bilayer transition metal dichalcogenides. In these atomically-thin, multi-valley materials, the valley degree of freedom is an iso-spin that can be manipulated with polarized light and is associated with a valley-dependent orbital magnetic moment. Coupling valley iso-spin with mechanical vibrations may take the form of a force originating from the interaction of the valley magnetic moment and a magnetic field gradient. We will detect extremely small forces originating (i) from the valley-dependent magnetic moment in monolayer systems and (ii) from the spin polarization in bilayer systems with broken inversion symmetry. Our research will open up new possibilities to study the valley iso-spin with a mechanical force detector. In addition, the coupling between valley iso-spin and vibrations will enable new methods to transfer information from the light field to mechanical vibration modes.

以纳米和微米机械系统为基础的力探测器在感应学和量子物理中具有非常重要的应用。特别是，它们使得我们能够研究电子与机械系统作用产生的丰富物理现象，作用机制是电子的电荷或自旋与机械系统的振动模式之间的耦合。为了探索新型机电现象和开发强大的应用前景，找到将机械振动与电子的谷自由度耦合起来的方法至关重要。为达到这一目标，我们提出开发基于单层或双层过渡金属二硫族化物的超灵敏机械力探测器。在这种原子级厚度、多谷材料中，谷自由度类似于电子自旋，可以被偏振光操控，并且附带有一个依赖于谷的轨道磁矩。谷自旋与机械振动的耦合可体现为谷轨道磁矩和梯度磁场作用产生的力。我们将探测两种极端微弱的力，一种来自单层系统中的谷轨道磁矩，另一种来自存在反转对称性破缺的双层系统的自旋偏振。本研究将为采用机械力探测器研究谷自旋提供新的可能性。并且，谷自旋与机械振动的耦合将开辟把信息从光场转移到机械振动模式上的新方法。

以纳米机械系统为基础的力探测器在感应学和量子物理中具有非常重要的应用。特别是，它们使得我们能够研究电子与机械系统作用产生的丰富物理现象，作用机制是电子的电荷或自旋与机械系统的振动模式之间的耦合。本课题提出开发一种可增强光与物质的相互作用的二维薄膜纳米机械谐振器，由于二维薄膜可以在极小力驱动下发生振动，而二维薄膜中的谷自旋产生的磁场力可以驱动薄膜振动，使得薄膜弯曲振动可以与膜内电子的谷自由度或谷自旋之间的产生耦合，因此可以通过二维薄膜谐振器的机械响应来表征这种耦合。主要研究内容包括：（1）纳米机械谐振器表面的清洁技术；（2）利用内置微镜增强光与物质之间的相互作用；（3）薄膜振动模态的高分辨率成像，以及（4）片上产生磁场梯度脉冲。本课题的分工主要是一名博士研究生负责搭建光学系统并进行相关光学测量、两名博士研究生和三名硕士研究生负责制备纳米谐振器。我们积极努力实现既定的最终目标，项目中取得的每一步进展都包括了一些重要的科学及工程技术上的成果，相关成果体现在以下四方面：（i）构建了一种可测量二维纳米机械谐振器中微小弯曲振动幅度的新理论模型；（ii）开发了一种用于成像二维纳米机械谐振器弯曲振动模式的新技术；（iii）制备出了一种新的可增强光与物质间相互作用的二维纳米机械谐振器；（iv）开发了一种为安装在纳米定位器上的器件提供射频信号的新技术，并已经在室温和低温条件下对该技术进行了测试。上述已取得的研究成果已发表SCI期刊论文4篇，另外1篇在审稿中，并有3项发明专利被受理。同时基于此项目，我们获得2018年国家基金委中国-瑞典国际合作与交流项目的资助（NSFC-STINT），这使得我们在纳米力学领域与两位外国专家建立了强有力的合作关系。