类二硫化钼低维体系中谷电子学及自旋电子学的理论研究

MoS2-like system (MX2) refers to layered material which is isostructural to MoS2, including MoS2, WS2, MoSe2, WSe2 and so on. The so-called "valleys" are different positions in momentum space where degenerate energy minima exist, which can be used as a degree of freedom to distinguish different states and can carry quantum information just as spins. Existing studies show that, for single-layer MX2, there is direct band gap in the visible range and valley-selective absorption and emission of circularly polarized light, and that valley Hall effect and spin Hall effect can coexist. The spin-orbit splitting of the valence band top of single-layer MX2 causes strong coupling between the valley and spin, which adds to the variety of manipulation for the valley and spin. These distinct properties imply promising applications of single-layer MX2 in valleytronics and spintronics. This project is planned to combine the first-principles, tight-binding and k.p methods to study the physics related to valley and spin existing in from single-layer MX2 to other low dimensional systems of MX2 such as few layers, nanoribbons, nanodots and so on. It is expected that effective models and explanations will be established in one or more aspects out of the generation, control and probing of valley and spin polarization. This study is not only meaningful for fundamental research but also of important theoretical value for quantum information.

类二硫化钼体系(MX2)是指与二硫化钼(MoS2)具有相同晶体结构的层状材料，包括MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等。所谓"谷"指的是动量空间中具有简并能量极值的不同位置，低能时可作为一个自由度来区分不同的电子态，和自旋一样可以作为量子信息的载体。已有研究表明，MX2单层具有可见光波段的直接带隙和谷选择的圆极化光的吸收与发射，且可同时具有谷霍尔与自旋霍尔效应。其价带顶的自旋轨道劈裂引起谷与自旋的强耦合，进一步增加了对谷与自旋操控的多样性。这些特性使其在谷电子学及自旋电子学中有着光明的应用前景。本项目拟结合第一性原理、紧束缚、k.p等方法，从MX2单层拓展到其他MX2低维体系(少层、纳米带、纳米点等)，研究其中与谷和自旋自由度相关的物理，以期在谷(自旋)极化的产生、控制与探测等其中的一个或几个方面提出有效的理论模型和解释。该研究具有重要的基础研究意义以及对量子信息的理论参考价值。

类二硫化钼体系（MX2）也称为过渡金属二硫属化物（TMD或TMDC），具有类似石墨的层状结构。近年来，层状MX2材料因其独特的电子学及光学性质受到了越来越多的关注，尤其是在谷电子学及自旋电子学方面。该项目主要结合第一性原理计算及TB和k.p等理论模型来研究低维MX2体系的电子结构，并探索其谷与自旋自由度的性质以及如何产生与调控其谷与自旋自由度。在量子受限体系中谷自由度是否依然有效是个很重要的问题，于是我们研究了单层MX2在限制势下形成的量子点中的谷间耦合，结果表明谷间耦合与自旋-谷耦合相比很弱，因而保证了谷依然是有效的自由度；基于此我们进一步研究了MX2量子点中自旋-谷量子位的光学控制，提出了可以实现CNOT等量子门的方案。我们的研究表明，体系对称性对MX2材料的性质有着重要的影响，它决定了单层MX2在K/K’谷的圆极化光选择定则，决定了双层MX2在K/K’谷处是否发生层间耦合，以及决定了少层MX2的 SdH（Shubnikov-de Hass）震荡实验中所表现出的谷与自旋简并度以及能级因磁场增大的劈裂方式随层数的奇偶性而变化的现象。我们研究了WSe2单层中点缺陷引起的谷间量子干涉，实验数据结合理论分析表明价带K谷和导带Q谷具有很强的自旋-谷耦合，因而意味着价带K谷和导带Q谷应该具有较长的自旋和谷寿命。我们的研究还发现在单层MX2等材料中，通过施加交变电场或者非均匀的温度场，由于费米面的各向异性，可以产生非零的直流二阶非线性谷/自旋流，为产生纯的谷流或自旋流指出了一种新的方法。综上，该项目的成功开展加深了对MX2低维体系中谷/自旋自由度的认识与理解，并获得了若干产生和调控谷/自旋自由度的方法，对谷电子学及自旋电子学的发展具有重要意义。