2019年4月1日，《自然·光子学》（Nature Photonics）在线刊发了我院超快光学实验室的一项国际合作成果《Coherent steering of nonlinear chiral valley photons with a synthetic Au-WS2metasurface》。王凯教授、陆培祥教授和新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者，我院16级博士生洪玄淼为共同第一作者。
众所周知，电子具有两个内禀自由度，即电荷和自旋。基于这两个自由度，人们发展了当今广泛应用的电子技术和日渐成熟的自旋电子学。近年来，单层过渡金属二硫化物（TMDC）等二维材料因其具有特殊反演对称性，形成了一个额外的自由度：能谷赝自旋（K和K'），引起学界的广泛研究。谷自由度作为信息载体可实现各种新型的功能器件。与传统电子元件相比较，新型谷电子器件具有信息不易丢失、处理速度快、能耗低、集成度高和传输距离远等优点。但是，能谷激发态的寿命在室温下十分短暂，且单层二维材料厚度仅为原子层量级，这会导致其与外部激发场的相干作用十分微弱，严重限制了谷自由度的高效激发和调控。因此，如何提高二维材料中非线性过程的效率和谷系数，是谷电子学中亟待解决的问题。
超快光学研究团队原创性的提出了一种新型非线性光学界面，由贵金属纳米孔阵列和单层二维材料组成，很好地解决了纳米尺度下二次谐波（SHG）光场多维度调控转换效率的难题，该工作发表在《纳米快报》上（Nano Letters，2018, 18, 1344-1350）。在此基础上，新加坡国立大学仇成伟教授提出了将这种新型非线性光学界面用于单层WS2中非线性能谷-光子的高效操控的理论方案，王凯教授设计和制备了具有梯度相位信息的金纳米孔阵列。当左（右）旋圆偏基频光通过金纳米孔时，产生带有相位信息的右（左）旋圆偏基频光。根据SHG选择定则，特定能谷K（K'）会被激发并产生左（右）旋SHG，实验中测得其自旋度接近100%。由于金纳米孔的局域场增强效应，使光场与能谷相互作用强度增强，测得SHG转换效率提高了3个量级。更重要的是，能谷锁定的SHG光子携带了相位信息，可实现控制其出射角度等多种功能。该方案同样适用于介质超构表面和其他二维材料体系，这也为二维材料中能谷操控、信息编码与读取提供了非常简洁可靠的途径，可进一步促进室温下非线性、量子和谷电子纳米器件的应用研究。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-019-0399-1.
