作为一种典型的二维半导体材料，过渡金属硫族化合物（TMD）在近红外至可见光波段下，单层原子厚度为直接带隙，这使得其在光子学、光电子学中引起了众多学者的关注。

在动量空间中，费米能级附近的电子会存在一种新的自由度，即谷。众所周知，奇数层TMD材料具有空间反演对称性破缺及时间反演对称性，所以会存在不等价的两类能谷K和K’（通常是简并的）；然而由于自旋-轨道劈裂，为满足时间反演对称性，单层TMD材料出现一种特殊的光选择规则，可以操控能谷自由度—— 谷电子学。

近年来，二维半导体中的量子发射体（QEs）作为一种有前景的量子光源引起了人们的极大研究兴趣。携带自旋和角动量等内部自由度的量子发射体（QEs）的单光子发射在量子光学中起着重要的作用。然而，这些QEs是否具有与离域化的谷激子相同的谷物理特征仍在争论中。此外，对于这种量子发射体的潜在应用仍有待探索。有鉴于此，近日，北京大学许秀来教授，9728太阳集团黄元教授和中科院物理所王灿研究员（共同通讯作者）等合作通过与手性等离激元纳腔的相互作用，展示了单层WSe₂量子发射体中谷对称性缺失的实验证据，该工作在《Nature Communications》上发表（题目：“Revealing broken valley symmetry of quantum emitters in WSe₂ with chiral nanocavities”）。

在该工作中，耦合后QEs的反常磁光光谱表明，在两个不同的塞曼劈裂峰上，发射光子的螺旋度保持一致，即发射光子的偏振态是由手性纳腔调制的，而不是由谷依赖的光学选择定则调制的。腔量子电动力学的计算进一步证明了内在谷保护特性的缺失。手性纳腔依赖的圆偏振单光子输出也为手性量子光学的未来应用提供了一种策略。不仅如此，该工作还开发了一种在单个量子水平上控制光物质相互作用的技术，表明了在手性量子光学中的潜在应用。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等支持。

论文详情与链接：

Revealing broken valley symmetry of quantum emitters in WSe2 with chiral nanocavities (Nat. Commun., 2023, DOI:10.1038/s41467-023-39972-7)

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39972-7

图1. 手性等离激元纳腔对谷对称性缺失的量子发射体(QE)的偏振调控过程。

图2. 手性等离激元共振与单个量子发射体之间的耦合。

图3.手性等离激元晶格L1处QEs的圆偏振分辨的磁光光谱(磁场方向垂直于样品表面)。

图4. 测量到的磁场依赖的圆极化自由度。

图5. 量子发射体与手性等离激元耦合体系的动力学研究与求解。

附作者简介：

黄元，9728太阳集团前沿交叉科学研究院教授，博士生导师。主要研究领域集中在二维材料的制备、表征、器件加工和物性测量/调控等方向。近年来，黄元与合作者在物理、化学、材料、信息和地质科学领域开展了一系列交叉科学研究。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters，ACS Nano, Nano Letters等共计发表SCI论文120余篇，其中第一作者（含共一）及通讯作者文章60余篇，论文总引用5700余次。主持国家重点研发计划（青年项目），主持国家基金委优秀青年基金和面上项目，重庆市杰出青年基金项目。2019年入选中科院青促会会员，2020年入选中科院青促会数理分会理事，2020年获中国科协“中国十大科技新锐人物”荣誉称号，2021年获中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖(排名第一)，2022年获中国发明协会发明创业成果奖二等奖（排名第二）；2023年获日内瓦发明展览会银奖（排名第一）。担任Physical Review Letters，Nature Communications, ACS Nano, Nano Letters，《物理学报》等国内外知名期刊审稿人；担任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年编委。