首個“谷光電子芯片”誕生，信息能像光一樣在芯片里流動了！

過去十年，“谷電子學”一直被認為是后摩爾時代的重要方向之一。它利用二維材料中電子所處的“谷”自由度來存儲和傳輸信息，理論上能夠實現超低功耗、超高速的信息處理。然而，真正困難的地方在于：如何把谷信息從“實驗室里的光學現象”，變成真正能在芯片中運行的器件系統。尤其是，如何在室溫下實現谷信息的產生、路由和電學讀取，一直是國際上的核心難題。

澳大利亞莫納什大學任浩然教授、Stefan A. Maier教授聯合新加坡董兆岡教授、澳門科技大學歐清東教授把這些原本分散的步驟全部集成到一枚納米芯片中。研究團隊利用WS2、WSe2等二維過渡金屬硫族化物，結合超表面波導結構和片上光電探測器，實現了“谷依賴手性光子”的片上操控。系統不僅能夠在室溫下獲得接近100%的谷偏振選擇性，還能完成谷復用圖像信息的片上處理，為未來光量子芯片、低功耗信息計算和谷量子技術打開了新方向。相關成果以“An on-chip programmable valley optoelectronic nanocircuit”為題發表在《Nature Photonics》上，中國學者李馳和邢凱健為共同第一作者。

文章一開始，研究團隊首先解釋了為什么傳統方案很難真正實現“谷電子芯片”。此前，大多數研究雖然已經能夠產生谷偏振光子，但信息讀取仍嚴重依賴顯微鏡、透鏡等龐大的遠場光學系統（圖1a）。這意味著整個系統無法真正集成到芯片內部，也難以實現高效率信息傳輸。為了突破這一瓶頸，研究人員提出了一種全新的“近場片上探測”方案。他們不再依賴遠場收集，而是直接把二維材料光探測器集成在波導末端，使傳播中的谷光子被直接吸收并轉化為電信號（圖1b、1c）。這種方式的光收集效率接近96%，遠高于傳統顯微鏡系統。更關鍵的是，研究團隊設計出了一套完整的谷光電子工作流程（圖1d）。當圓偏振激光照射WS2單層材料時，會產生具有不同手性的二次諧波（SHG）谷光子。這些谷光子隨后被超表面選擇性耦合進不同方向的波導中，最終由WSe2光電探測器轉化為不同電流信號，實現真正意義上的“谷信息讀出”。圖1e則從能帶結構角度展示了K谷與K′谷對應不同圓偏振態的物理機制。

圖1：展示傳統遠場谷光檢測與新型片上近場探測的區別，并提出完整的谷光電子納米電路概念，實現谷光子的產生、路由與電學讀取。

接下來，研究團隊開始介紹整個系統最核心的結構——手性選擇性超表面波導（圖2a）。這個結構由非晶硅超表面與氮化硅波導組成，通過精確調節納米結構尺寸，實現了對不同圓偏振光的“單向導流”。簡單來說，左旋和右旋圓偏振光會被自動送往波導的不同方向。在數值模擬中，研究人員發現，當工作波長設定在620 nm附近時，系統可以實現極強的方向選擇性（圖2b）。左旋圓偏振光會主要向左傳播，而右旋圓偏振光則向右傳播。圖2c進一步顯示，兩端波導的光強差異可以達到近兩個數量級。隨后，團隊分析了二維材料與超表面的間距對系統性能的影響（圖2d）。結果表明，即使存在一定間隔，偏振選擇性依然保持在0.92以上，說明該結構具有較強的實際制造容錯能力。在完成理論設計后，研究人員利用電子束曝光和等離子刻蝕技術成功制備出真實器件（圖2e）。掃描電鏡圖像顯示，超表面的納米結構與設計高度一致。實驗測試結果更加驚艷。研究人員通過改變入射光波長與偏振態，發現器件在620 nm波長下展現出極強的偏振選擇能力（圖2f）。圖2g進一步證明，該結構的偏振選擇性最高達到0.97，幾乎接近理論極限。

圖2：介紹手性選擇性超表面波導的設計、仿真與實驗驗證，實現不同圓偏振光在芯片中的單向傳播。

完成光路結構后，真正的“谷物理”部分正式登場。研究人員首先制備了hBN封裝的WS2單層材料（圖3a）。在傳統光致發光（PL）中，室溫下谷偏振通常很弱，只有約10%左右，很難用于實際信息處理。但研究團隊發現，當采用二次諧波產生（SHG）機制時，情況發生了根本改變。圖3b顯示，當激發波長接近WS2激子共振條件時，SHG信號迅速增強，并呈現接近100%的谷偏振。與此同時，SHG強度與激發功率滿足標準二次關系，擬合斜率達到2.05，證明這是典型的二階非線性光學過程。更重要的是，這種SHG過程并不依賴真實激子的長壽命存在，而是通過超快虛躍遷完成。因此，它幾乎不受谷散射和熱漲落影響，即使在室溫下也能保持極高偏振純度。這一點，是傳統谷光致發光方案難以實現的。隨后，研究團隊把WS2轉移到超表面波導之上（圖3c），真正構建出谷驅動光路系統。當使用不同圓偏振飛秒激光泵浦時，產生的谷依賴SHG光子會自動進入不同方向的波導（圖3d）。研究人員甚至在遠場顯微圖像中清楚觀察到了左右分流現象。

圖3：展示WS2單層材料中谷依賴二次諧波（SHG）的產生機制，以及谷光子在超表面波導中的方向性傳輸。

接下來，系統最關鍵的一步來了：把谷光信號真正變成電信號。研究人員在波導兩端分別構建了WSe2光電探測器（圖4a、4b）。這些探測器只對620 nm附近的SHG光敏感，而對泵浦激光本身“視而不見”。這意味著系統可以極大降低背景噪聲，實現高信噪比探測。圖4c和4d展示了兩個探測器在不同偏振狀態下的響應情況。當σ+激光入射時，會產生σ?谷光子，并主要被左側探測器PD-1接收；而σ?激光則會驅動右側PD-2產生強響應。整個過程就像信息在芯片內部自動“分道揚鑣”。進一步旋轉四分之一波片后，研究人員發現探測器電流隨偏振角度呈現標準正弦變化（圖4e），說明系統能夠穩定區分不同谷態。兩個探測器的谷光電流變化幅度約為340 pA，展現出良好的偏振分辨能力。最后，研究團隊進行了一個非常直觀的演示：谷復用圖像傳輸。他們把“袋鼠”和“考拉”兩幅圖像分別編碼進不同谷偏振態中（圖4f），隨后同時輸入同一片芯片（圖4g）。結果顯示，PD-1主要恢復出“袋鼠”圖像，而PD-2則恢復出“考拉”圖像（圖4h、4i）。換句話說，這套系統已經能夠像通信芯片一樣，對不同谷態的信息進行片上分離、傳輸和解碼。更重要的是，整個過程完全在芯片內部完成，不需要復雜的外部光學設備輔助。

圖4：展示WSe2光電探測器對谷光子的電學讀取，并完成“袋鼠—考拉”谷復用圖像的片上解碼演示。

展望

最后，作者進一步討論了未來發展方向。他們指出，目前SHG本身仍屬于較弱的非線性過程，但未來可以通過光子晶體、等離激元結構、共振超表面等方式進一步增強效率。與此同時，這種架構還能夠與電致發光器件、量子光源以及CMOS兼容制造技術結合，為未來真正的大規模谷光電子芯片鋪路。