二维材料谷电子学及其应用

 长期以来，在半导体中找寻操控电子的新方式用以发展新型电子元件以及下一代电子学，是研究人员一直致力的目标。而对于电子的操控往往离不开其本身所能够具有的内禀自由度。对物理工作者而言，在概念上发现和调控固体中电子具有的但尚未被利用的自由度是当今工作的一个前沿课题。近年来，科学家发现一些固体材料中的电子除了电荷和自旋自由度外,还有谷自由度(valley degree of freedom).所谓的谷自由度即固体材料中能带结构的极值点。这些极值点在晶体动量空间具有时间反演对称性和不等价性。这样的不等价性可以通过倒空间局部的贝瑞曲率(Berry curvature)或轨道磁矩来描述。如果其中一个用0来代表，另一个用1来代表，那么两个能带中的极值点就可以成为电子新的内禀自由度，即谷自由度可被用做信息存储和传输的载体，并能通过外部的磁场或者电场对它进行有效的操控，相关的领域研究被称为“谷电子学”(Valleytronics)。目前以电子谷自由度为基础的谷电子学的科学研究引发了一场概念性革命。如果我们可以探测和操控这些新颖谷电子自由度，将有望在微观领域为信息操作和编码提供巨大潜力，具有重大的意义。

 二维材料谷电子学(Valleytronics)是一种新兴的材料电子学研究方向，其主要研究二维材料中的valley谷子态电子学性质。valley谷是指材料中能带结构中的能量极小值，它们具有特殊的电子学性质，如磁性、光学性质等。二维材料谷电子学的研究具有重要的理论和应用价值，在电子学、材料学、物理学等领域具有重要的应用前景。 二维材料valleytronics的研究内容包括：  

1. 二维材料valley谷子态的基本理论研究，包括能带结构、电学性质、磁学性质等。 

2. 二维材料valley谷子态的光学性质研究，包括光致电子转移、光学响应等。

3.  二维材料valley谷子态的电子学器件研究，包括valley谷子晶体管、valley谷子自旋电子学器件等。 

4. 二维材料valley谷子态的材料研究，包括二维材料的合成、表征、性质研究等。

5. 二维材料的物理性质研究，如力学性质、热学性质、磁学性质等。 

    课题组谷电子学的研究目标旨在拓展谷材料的备选范围，采用先进的微纳加工工艺制备谷自由度量子器件，通过光、电、磁场等外在条件打破谷之间的简并，并使之谷极化，探索其弛豫和退相干机制，实现谷量子器件中的谷和自旋霍尔效应，并提供其在信息存储领域应用的可能性。深刻理解谷自由度的弛豫机制，谷电子动力学的微观机理和提高谷材料激子发光的寿命，得到第一手实验数据，为新的谷自由度量子器件的应用奠定基础，推动谷电子学的发展和创新。