1.导读

过渡族硫化物（TMDCs）一直受到人们的广泛关注，随着研究的进一步深入，人们在TMDCs中发现了一个新的自由度——能谷（valley）自由度。能谷自由度可作为信息传递的载体被应用于未来的电子或者光子器件中。而实现对能谷自由度的操控是发展能谷电子或光子器件的关键一环，研究者们也正在积极地探索有效操控能谷自由度的方法。

近日，复旦大学光子晶体课题组和国防科技大学江天研究员团队合作提出利用面内反演对称性破缺的全介质光子晶体平板对TMDCs的能谷激子辐射进行调控。他们利用光子晶体平板的非局域布洛赫模式，在室温下实现了能谷激子辐射在远场的定向分离，实验上测得了高达88%的能谷偏振度，并且首次测量了光子晶体平板上TMDCs辐射场的空间相干性。

图1 破坏光子晶体面内反演对称性实现对庞加莱球南北极覆盖示意图以及利用光子晶体平板实现对TMDCs能谷激子辐射远场分离的示意图

2.研究背景

在单层TMDCs中存在两类简并但不等价的能谷（K和K’能谷）。由于能谷处的光学选择性跃迁，能谷激子辐射也同样可以携带能谷信息，这个过程可以实现信息从电子到光子的传递。因此，对能谷激子辐射的调控对于发展未来的能谷电子和光子器件十分重要，这几年研究者也已取得了许多的进展。

其中，光学纳米结构被广泛应用于调控能谷激子辐射。之前的工作中，研究者利用金属表面等离激元的横向自旋[Science 359.6374 (2018): 443-447.]或者超构表面中空间变化的纳米结构所导致的几何相位[Nature Photonics 13.7 (2019): 467-472.]都实现了对具有不同手性的能谷激子辐射的分离。

对应于超构表面，光子晶体平板也是被广泛应用于调控光的相互作用，其由周期性排列的电介质微纳结构构成。光在结构中受到布洛赫散射，在动量空间形成了光子能带，对应于一系列的非局域的光子布洛赫模式。光线以上的部分对应于可以与自由空间耦合的辐射态，其远场辐射具有严格定义的偏振。一方面，这些光子布洛赫模式非局域的本质让光子晶体平板具有在相干辐射调控的应用潜力；另一方面，光子晶体平板可以由常见的低耗散介质材料制备，从而避免了金属材料的本征耗散问题。布洛赫模式所具由的丰富偏振性质也让利用光子晶体平板调控能谷激子辐射成为可能。

3.创新研究

研究者利用面内反演对称性破缺的全介质光子晶体平板的非局域布洛赫模式，在室温下实现了能谷激子辐射在远场的定向分离，并且首次测量了光子晶体平板上TMDCs辐射场的空间相干性。

通常来说，光子晶体平板具有比较高的旋转对称性，导致其辐射态的偏振都是近线偏振的。基于研究者之前的工作[Physical Review Letters 123.11 (2019): 116104.]，本研究通过破坏光子晶体平板的面内反演对称性，在光子晶体能带上观察到了近圆偏振的态。

图2 单层二硫化钨在分别在平衬底、有面内反演对称性和面内反演对称性破缺的光子晶体平板上角度分辨的光致发光谱

进一步地，研究者将单层二硫化钨转移到平衬底和光子晶体平板上，通过对光致荧光的远场测量直接观察到了能谷激子辐射的有效分离。在平衬底和具有面内反演对称性的光子晶体平板上的情况，二硫化钨的辐射是关于法线对称的，左旋和右旋光在远场没有实现分离，如图2a-d。而在面内反演对称破缺的光子晶体平板上情况（图2e-f），我们可以看到左旋和右旋光的辐射是非对称的。图2g-h进一步画出了实线和虚线对应的两个波长的远场辐射情况，我们可以看到，左旋和右旋光的峰对应于不同的辐射角度，并且半峰宽很窄，直接证明了能谷激子辐射在远场得到了有效地定向分离。

图3 杨氏双缝实验图

通过杨氏双缝干涉实验，研究者观测到了面内反演对称性破缺光子晶体平板上二硫化钨辐射场具有的空间相干性质。使用实验室搭建的双缝干涉实验系统，研究者测量了单层二硫化钨在平衬底和面内反演对称性破缺光子晶体平板上的空间相干性，如图3。对于面内反演对称性破缺的光子晶体平板上的单层二硫化钨的辐射，在傅里叶面上观察到了双缝干涉条纹，表明其辐射场是具有空间相干性的，并且研究者实验测量到的相干长度大于6微米（将近辐射波长的十倍）。而在平衬底情况下没有观察到干涉条纹，这也更加证实了光子晶体平板所带来的调控效果。这个结果将TMDCs材料相干控制从时间相干性拓展到了空间相干性。

4.应用与展望

本工作首次提出利用光子晶体平板对能谷激子辐射进行有效调控，并且探究了其辐射的空间相干性。除了本文中使用的单层二硫化钨，此方法对于其他的TMDCs材料同样适用。光子晶体的引入势必会为能谷激子辐射调控提供又一有效的方法，将促进未来能谷电子和光子器件的进一步发展。

该研究成果以“Routing valley exciton emission of a WS₂ monolayer via delocalized Bloch modes of in-plane inversion-symmetry broken photonic crystal slabs”为题在线发表在国际顶级光学期刊Light: Science & Applications。

来自复旦大学的博士生王佳俊与国防科技大学的博士生李汉为本文共同一作，通讯作者为复旦大学石磊教授、资剑教授和国防科技大学江天研究员。合作者还包括复旦大学吴施伟教授等。

4.应用与展望

本工作首次提出利用光子晶体平板对能谷激子辐射进行有效调控，并且探究了其辐射的空间相干性。除了本文中使用的单层二硫化钨，此方法对于其他的TMDCs材料同样适用。光子晶体的引入势必会为能谷激子辐射调控提供又一有效的方法，将促进未来能谷电子和光子器件的进一步发展。

该研究成果以“Routing valley exciton emission of a WS₂ monolayer via delocalized Bloch modes of in-plane inversion-symmetry broken photonic crystal slabs”为题在线发表在国际顶级光学期刊Light: Science & Applications。

来自复旦大学的博士生王佳俊与国防科技大学的博士生李汉为本文共同一作，通讯作者为复旦大学石磊教授、资剑教授和国防科技大学江天研究员。合作者还包括复旦大学吴施伟教授等。