自旋作為電子的內稟特性之一，是開發自旋電子器件的基礎。相比于以電子電荷特性為基礎的微電子器件，自旋電子器件具有能耗低、響應快和存儲密度高等優點，但在自旋電子器件的發展中仍然面對很多挑戰，如自旋電子的注入、自旋電流的傳輸和載流子自旋極化的探測與調控等。利用光與物質的相互作用來操控非磁性材料中的自旋特性是解決這些難題的重要的研究方向。香港大學的崔曉冬教授（點擊查看介紹）領導的團隊最近提出了一種運用激光來調控單層過渡金屬硫化物中自旋極化的方法。
單層過渡金屬硫化物（transition metal dichalcogenides, 以下簡稱TMD）是一種類似石墨烯的六角晶格結構的超薄材料，它們的興起將傳統半導體材料擴充到新的二維極限。在它們的動量空間中固有地存在離散不等價的簡并能谷K和K'。由于天然的空間反演對稱破缺特性，單層TMD的不同能谷中電子會發生帶間光學躍遷，需要遵循不同的光學選擇定則，具有圓偏光雙色性。另外，由于能谷處能帶主要由過渡金屬原子中的d軌道電子貢獻，強自旋軌道耦合使能帶發生劈裂，加上時間反演對稱性的要求，能帶的劈裂在K谷和K'谷的方向相反，即對應K谷中自旋向上的能帶，在K'谷中一定是自旋向下的（圖1）。理論上這種自旋自由度與能谷贗自旋自由度之間的耦合可以產生穩定的自旋極化，因此我們可以運用不同頻率的激發光來調控單層TMD中的自旋。那么是否可以開展實驗證實以上的推測呢？
香港大學團隊制備了一種可探測單層TMD材料中產生自旋極化的類自旋閥器件，用圓偏光激發出器件的單層TMD材料中載流子的自旋極化，并通過檢測器件中自旋分辨的光電流，用實驗驗證了通過改變同一種手性圓偏激發光的頻率來調控單層TMD中的自旋可行性（圖2）。協同時間分辨的克爾偏轉譜的測量，他們的實驗還顯示：光激發產生的單層TMD中的自旋極化在弛豫過程中趨向于保持原有的自旋方向，因此實驗中可以用電學的手段在其費米能級附近檢測到明顯的自旋極化。
這項工作為發展光學調控的自旋電子器件提供了一種嶄新的思路，也展示了單層TMD在未來自旋電子器件中的潛在應用。這一成果近期發表在ACS Nano上，文章的第一作者是香港大學的博士陳曦。
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