简单掺一掺，效果强两倍？新方法让二维材料“谷”特性迎来惊人一

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想象一下，你手里有一种材料，它的某个关键性能参数原本只有“-4”。通过极其复杂的堆叠工艺，费了九牛二虎之力，你勉强把它提升到了“-10”。但现在，有人发现了一个更简单的办法：只需要在生长材料时，像炒菜加调料一样改变一下两种金属元素的比例，这个参数就能轻松从“-4”一路狂飙到“-10”，甚至更多。

这听起来有点像天方夜谭，但它真实地发生在当前凝聚态物理最前沿的领域之一——“谷电子学”中。2026年2月23日，来自波兰华沙大学物理系的研究团队在《物理评论快报》上发表了一项重磅成果，揭示了如何通过合金工程，以一种极其简单且可扩展的方式，实现对二维半导体材料“谷”特性的精密调控 。

要理解这项工作的精妙之处，我们得先认识两个主角：激子和它的g因子。

激子是什么？你可以把它想象成材料内部一个短暂的“二人组”。在半导体里，一个电子被光激发后跳走，留下一个带正电的空位（空穴）。电子和空穴因为静电吸引抱在一起，就形成了激子。 它决定了二维材料的光学性质，尤其是在像二硫化钼（MoSe2）和二硫化钨（WSe2）这类单层过渡金属硫化物中 。

那g因子呢？它是激子与磁场相互作用强弱的一个“刻度尺”，或者说是激子磁矩的大小。当给材料加上一个垂直的磁场，原本能量相同的两个不同“谷”（K+和K-，我们可以把它们理解为电子居住的两个不同的能量低谷）会发生能量分裂，这就是塞曼效应。这个分裂有多大，就由g因子决定。 g因子的绝对值越大，意味着在同样大小的磁场下，两个谷的能量差就越大。

在传统的认知里，MoSe2和WSe2这两种材料的激子g因子都在-4左右。那么，如果把它们混合起来做成MoWS2合金，g因子会是多少？很多人可能会想当然地认为，应该在-4之间线性变化。

但现实总是比想象更精彩。

结果令人瞠目结舌：g因子并非线性变化，而是表现出强烈的非线性。当合金中钼的含量仅为20%左右时，g因子竟然急剧下降到了约-10！这是一个此前只有在极其复杂的莫尔超晶格结构中才能达到的数值 。

“在我们的工作中，我们证明了对于过渡金属硫化物合金来说，控制单层的化学成分就足以实现这一目标，” Olkowska-Pucko博士解释道 。这意味着，通往高性能谷电子器件的路，可能比我们想象的要宽得多，也平坦得多。

为什么简单地混合两种金属原子，会产生如此巨大的效果？科学家们并没有停留在现象层面，他们联合了意大利、新加坡、法国等多国团队，通过第一性原理计算揭开了背后的微观机制。

这就像在音乐里混音一样。研究团队发现，这种巨大的g因子调制，源于合金内部一种叫“K-Q谷混合”的机制。由于合金中原子尺度的不均匀性，导带中的K谷和Q谷的量子态发生了混合。这种混合，加上材料本身存在的机械应变，共同作用，就像转动了一个巨大的旋钮，极大地放大了激子的g因子 。

对于谷电子学来说，一个巨大的g因子意味着什么呢？

传统的电子器件利用电子的电荷来携带信息，而自旋电子学利用电子的自旋。谷电子学则是一个更新的赛道，它利用的是电子在能量动量空间中所处的不同“谷”来编码信息 。K+和K-这两个谷，就像两个可以存储0和1的盒子，我们可以用不同偏振的光（左旋光σ+和右旋光σ-）来分别读写它们 。

简单来说，g因子越大，我们在实际应用中，就不需要用那么强的磁场（这意味着更低的成本和更小的体积）就能把两个谷彻底分开，从而避免信息混淆，实现信息的精准编码、处理和读取。这对于未来研制超低功耗、高计算效率的信息技术至关重要。

谷电子学作为一个有望超越摩尔定律的新方向，自然也是中国科学家重点布局的领域。

在实验和器件层面，中国的成果同样令人瞩目。早在2020年，南京大学王肖沐/施毅团队就与浙江大学等单位合作，在《自然·纳米技术》上报道了一种能在室温下工作的“能谷自旋晶体管”。他们利用不对称的等离激元纳米天线，在二硫化钼中实现了谷信息的产生、传输和开关操作，而且这个过程可以不依赖电荷流，展现了极低的功耗潜力 。

可以说，从基础物理机制的理解，到新材料、新器件的设计与制备，再到室温下高性能的实现，中国的科研力量在谷电子学这条新赛道上，正与国际顶尖水平并驾齐驱，甚至在某些细分领域跑在了前面。

回到波兰团队的这项研究，它就像在已经沸腾的谷电子学锅里，又加了一把旺火。它提供的不仅仅是一个创纪录的-10的数值，更是一个普适的、简单的、可扩展的调控思路——“合金工程谷物理学”。这个思路或许将启发科学家们在更多的二维材料家族中，通过元素混合这一看似平凡的举动，创造出更多不平凡的量子现象，推动我们更快地步入一个属于“谷”的信息时代。