中国学者一作，最新Nature Photonics：首个“谷光电子芯片”诞生

首个“谷光电子芯片”诞生，信息能像光一样在芯片里流动了！

过去十年，“谷电子学”一直被认为是后摩尔时代的重要方向之一。它利用二维材料中电子所处的“谷”自由度来存储和传输信息，理论上能够实现超低功耗、超高速的信息处理。然而，真正困难的地方在于：如何把谷信息从“实验室里的光学现象”，变成真正能在芯片中运行的器件系统。尤其是，如何在室温下实现谷信息的产生、路由和电学读取，一直是国际上的核心难题。

澳大利亚莫纳什大学任浩然教授、Stefan A. Maier教授联合新加坡董兆冈教授、澳门科技大学欧清东教授把这些原本分散的步骤全部集成到一枚纳米芯片中。研究团队利用WS2、WSe2等二维过渡金属硫族化物，结合超表面波导结构和片上光电探测器，实现了“谷依赖手性光子”的片上操控。系统不仅能够在室温下获得接近100%的谷偏振选择性，还能完成谷复用图像信息的片上处理，为未来光量子芯片、低功耗信息计算和谷量子技术打开了新方向。相关成果以“An on-chip programmable valley optoelectronic nanocircuit”为题发表在《Nature Photonics》上，中国学者李驰和邢凯健为共同第一作者。

文章一开始，研究团队首先解释了为什么传统方案很难真正实现“谷电子芯片”。此前，大多数研究虽然已经能够产生谷偏振光子，但信息读取仍严重依赖显微镜、透镜等庞大的远场光学系统（图1a）。这意味着整个系统无法真正集成到芯片内部，也难以实现高效率信息传输。为了突破这一瓶颈，研究人员提出了一种全新的“近场片上探测”方案。他们不再依赖远场收集，而是直接把二维材料光探测器集成在波导末端，使传播中的谷光子被直接吸收并转化为电信号（图1b、1c）。这种方式的光收集效率接近96%，远高于传统显微镜系统。更关键的是，研究团队设计出了一套完整的谷光电子工作流程（图1d）。当圆偏振激光照射WS2单层材料时，会产生具有不同手性的二次谐波（SHG）谷光子。这些谷光子随后被超表面选择性耦合进不同方向的波导中，最终由WSe2光电探测器转化为不同电流信号，实现真正意义上的“谷信息读出”。图1e则从能带结构角度展示了K谷与K′谷对应不同圆偏振态的物理机制。

图1：展示传统远场谷光检测与新型片上近场探测的区别，并提出完整的谷光电子纳米电路概念，实现谷光子的产生、路由与电学读取。

接下来，研究团队开始介绍整个系统最核心的结构——手性选择性超表面波导（图2a）。这个结构由非晶硅超表面与氮化硅波导组成，通过精确调节纳米结构尺寸，实现了对不同圆偏振光的“单向导流”。简单来说，左旋和右旋圆偏振光会被自动送往波导的不同方向。在数值模拟中，研究人员发现，当工作波长设定在620 nm附近时，系统可以实现极强的方向选择性（图2b）。左旋圆偏振光会主要向左传播，而右旋圆偏振光则向右传播。图2c进一步显示，两端波导的光强差异可以达到近两个数量级。随后，团队分析了二维材料与超表面的间距对系统性能的影响（图2d）。结果表明，即使存在一定间隔，偏振选择性依然保持在0.92以上，说明该结构具有较强的实际制造容错能力。在完成理论设计后，研究人员利用电子束曝光和等离子刻蚀技术成功制备出真实器件（图2e）。扫描电镜图像显示，超表面的纳米结构与设计高度一致。实验测试结果更加惊艳。研究人员通过改变入射光波长与偏振态，发现器件在620 nm波长下展现出极强的偏振选择能力（图2f）。图2g进一步证明，该结构的偏振选择性最高达到0.97，几乎接近理论极限。

图2：介绍手性选择性超表面波导的设计、仿真与实验验证，实现不同圆偏振光在芯片中的单向传播。

完成光路结构后，真正的“谷物理”部分正式登场。研究人员首先制备了hBN封装的WS2单层材料（图3a）。在传统光致发光（PL）中，室温下谷偏振通常很弱，只有约10%左右，很难用于实际信息处理。但研究团队发现，当采用二次谐波产生（SHG）机制时，情况发生了根本改变。图3b显示，当激发波长接近WS2激子共振条件时，SHG信号迅速增强，并呈现接近100%的谷偏振。与此同时，SHG强度与激发功率满足标准二次关系，拟合斜率达到2.05，证明这是典型的二阶非线性光学过程。更重要的是，这种SHG过程并不依赖真实激子的长寿命存在，而是通过超快虚跃迁完成。因此，它几乎不受谷散射和热涨落影响，即使在室温下也能保持极高偏振纯度。这一点，是传统谷光致发光方案难以实现的。随后，研究团队把WS2转移到超表面波导之上（图3c），真正构建出谷驱动光路系统。当使用不同圆偏振飞秒激光泵浦时，产生的谷依赖SHG光子会自动进入不同方向的波导（图3d）。研究人员甚至在远场显微图像中清楚观察到了左右分流现象。

图3：展示WS2单层材料中谷依赖二次谐波（SHG）的产生机制，以及谷光子在超表面波导中的方向性传输。

接下来，系统最关键的一步来了：把谷光信号真正变成电信号。研究人员在波导两端分别构建了WSe2光电探测器（图4a、4b）。这些探测器只对620 nm附近的SHG光敏感，而对泵浦激光本身“视而不见”。这意味着系统可以极大降低背景噪声，实现高信噪比探测。图4c和4d展示了两个探测器在不同偏振状态下的响应情况。当σ+激光入射时，会产生σ−谷光子，并主要被左侧探测器PD-1接收；而σ−激光则会驱动右侧PD-2产生强响应。整个过程就像信息在芯片内部自动“分道扬镳”。进一步旋转四分之一波片后，研究人员发现探测器电流随偏振角度呈现标准正弦变化（图4e），说明系统能够稳定区分不同谷态。两个探测器的谷光电流变化幅度约为340 pA，展现出良好的偏振分辨能力。最后，研究团队进行了一个非常直观的演示：谷复用图像传输。他们把“袋鼠”和“考拉”两幅图像分别编码进不同谷偏振态中（图4f），随后同时输入同一片芯片（图4g）。结果显示，PD-1主要恢复出“袋鼠”图像，而PD-2则恢复出“考拉”图像（图4h、4i）。换句话说，这套系统已经能够像通信芯片一样，对不同谷态的信息进行片上分离、传输和解码。更重要的是，整个过程完全在芯片内部完成，不需要复杂的外部光学设备辅助。

图4：展示WSe2光电探测器对谷光子的电学读取，并完成“袋鼠—考拉”谷复用图像的片上解码演示。

展望

最后，作者进一步讨论了未来发展方向。他们指出，目前SHG本身仍属于较弱的非线性过程，但未来可以通过光子晶体、等离激元结构、共振超表面等方式进一步增强效率。与此同时，这种架构还能够与电致发光器件、量子光源以及CMOS兼容制造技术结合，为未来真正的大规模谷光电子芯片铺路。