南洋理工/新加坡国立，Nature Materials！
米测MeLab
2025-03-24
研究背景
圆偏振光（CPL）的全范围、高灵敏度和可集成检测对于量子信息处理、先进成像系统和光学传感技术至关重要。然而，主流的CPL探测器依赖于手性吸收材料，因此存在响应波长有限、响应度低和区分比差的问题。鉴于此，新加坡南洋理工大学高炜博教授以及新加坡国立大学仇成伟教授、中国科学技术大学chenyang合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Chiral light detection with centrosymmetric-metamaterial-assisted valleytronics”的最新论文。在这里，他们提出了一种利用谷材料的手性光检测器，观察由手性光携带的自旋角动量。精心设计的中心对称超材料可以保持光学自旋角动量的符号，并在近场大幅增强其强度，作为将极化电子注入谷材料的介质，随后通过谷霍尔效应进行检测。这使得通过谷电子晶体管在室温下实现高灵敏度的红外CPL检测，并将检测波长扩展到红外范围。该方法为手性光检测开辟了新途径，并为谷电子学在光电传感中的潜在应用提供了见解。
研究亮点
1.实验首次通过中心对称等离子体超材料转移光的自旋角动量至二维过渡金属硫化物（TMDs）电子自旋，得到了红外圆偏振光（CPL）的高灵敏度检测结果。2.该研究首次通过设计的中心对称等离子体超材料成功实现了CPL自旋角动量的传输，将其传递给二维材料中的电子自旋，并利用该效应在室温下进行红外波段CPL检测。这一方法显著扩展了传统CPL检测的波长范围，并提高了灵敏度，特别是在红外波段。3.实验通过基于谷物材料的场效应晶体管（FET）检测CPL，实现了高效的谷霍尔电压响应，得到了波长范围为1,550nm时的高响应性结果。4.通过使用单层MoS2和少层MoTe2等二维材料场效应晶体管（FET），实验展示了CPL的谷霍尔电压响应。在1,550nm波长下，MoS2和MoTe2材料分别展示了高达7.5 V·W−1和41.7 V·W−1的响应性，证明了这一新型检测方法在红外CPL检测中的潜力。 5.实验通过将超材料与二维TMD材料集成，解决了传统吸收材料存在的带隙限制问题，有效拓宽了CPL检测的波长范围。
图文解读
图2: 单层MoS2谷电子晶体管中， 谷霍尔效应VHE的产生和检测。
结论展望
本文提出了一种利用圆偏振光（CPL）光学自旋角动量（SAM）生成自旋极化电子的方法，该方法在二维过渡金属二硫化物（TMDs）中诱导谷极化，并通过谷霍尔效应产生谷霍尔信号。该方法依赖于非手性超材料设计，可以检测手性光，并相较于传统的谷器件中的手性结构设计，展现出以下独特的优势：
（1）扩展的响应带宽：响应带宽由超材料的结构设计决定，而不是TMDs本身的可见光吸收；
（2）增强的霍尔效应：研究者的设计可以显著增强霍尔效应，使其在室温下可观察，并产生比之前更大的霍尔电压；
（3）优异的检测特性：研究者的谷电子晶体管能够实现比TMD吸收极限（红外带）更灵敏的CPL检测，并且在室温下表现出低暗电流、低噪声和高开关比。这为控制TMDs谷极化的设计提供了新的思路和参考。
然而，作为光电探测器，谷器件在响应度和探测性方面仍存在不足，无法与其他类型的设备相比。值得注意的是，这项工作代表了首次在CPL探测器中应用谷霍尔效应，并展示了将谷霍尔效应应用于芯片级红外CPL探测器的可行性，为谷电子学的应用提供了更多可能性。Jiang, H., Zhang, Y., An, L. et al. Chiral light detection with centrosymmetric-metamaterial-assisted valleytronics. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02155-4
