探索宇宙奧秘 · 理性思考

想象一下，你手里有一種材料，它的某個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)原本只有“-4”。通過極其復(fù)雜的堆疊工藝，費(fèi)了九牛二虎之力，你勉強(qiáng)把它提升到了“-10”。但現(xiàn)在，有人發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更簡(jiǎn)單的辦法：只需要在生長(zhǎng)材料時(shí)，像炒菜加調(diào)料一樣改變一下兩種金屬元素的比例，這個(gè)參數(shù)就能輕松從“-4”一路狂飆到“-10”，甚至更多。

這聽起來有點(diǎn)像天方夜譚，但它真實(shí)地發(fā)生在當(dāng)前凝聚態(tài)物理最前沿的領(lǐng)域之一——“谷電子學(xué)”中。2026年2月23日，來自波蘭華沙大學(xué)物理系的研究團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了一項(xiàng)重磅成果，揭示了如何通過合金工程，以一種極其簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維半導(dǎo)體材料“谷”特性的精密調(diào)控 。

要理解這項(xiàng)工作的精妙之處，我們得先認(rèn)識(shí)兩個(gè)主角：激子和它的g因子。

激子是什么？你可以把它想象成材料內(nèi)部一個(gè)短暫的“二人組”。在半導(dǎo)體里，一個(gè)電子被光激發(fā)后跳走，留下一個(gè)帶正電的空位（空穴）。電子和空穴因?yàn)殪o電吸引抱在一起，就形成了激子。 它決定了二維材料的光學(xué)性質(zhì)，尤其是在像二硫化鉬（MoSe2）和二硫化鎢（WSe2）這類單層過渡金屬硫化物中 。

那g因子呢？它是激子與磁場(chǎng)相互作用強(qiáng)弱的一個(gè)“刻度尺”，或者說是激子磁矩的大小。當(dāng)給材料加上一個(gè)垂直的磁場(chǎng)，原本能量相同的兩個(gè)不同“谷”（K+和K-，我們可以把它們理解為電子居住的兩個(gè)不同的能量低谷）會(huì)發(fā)生能量分裂，這就是塞曼效應(yīng)。這個(gè)分裂有多大，就由g因子決定。 g因子的絕對(duì)值越大，意味著在同樣大小的磁場(chǎng)下，兩個(gè)谷的能量差就越大。

在傳統(tǒng)的認(rèn)知里，MoSe2和WSe2這兩種材料的激子g因子都在-4左右。那么，如果把它們混合起來做成MoWS2合金，g因子會(huì)是多少？很多人可能會(huì)想當(dāng)然地認(rèn)為，應(yīng)該在-4之間線性變化。

但現(xiàn)實(shí)總是比想象更精彩。

結(jié)果令人瞠目結(jié)舌：g因子并非線性變化，而是表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性。當(dāng)合金中鉬的含量?jī)H為20%左右時(shí)，g因子竟然急劇下降到了約-10！這是一個(gè)此前只有在極其復(fù)雜的莫爾超晶格結(jié)構(gòu)中才能達(dá)到的數(shù)值 。

“在我們的工作中，我們證明了對(duì)于過渡金屬硫化物合金來說，控制單層的化學(xué)成分就足以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，” Olkowska-Pucko博士解釋道 。這意味著，通往高性能谷電子器件的路，可能比我們想象的要寬得多，也平坦得多。

為什么簡(jiǎn)單地混合兩種金屬原子，會(huì)產(chǎn)生如此巨大的效果？科學(xué)家們并沒有停留在現(xiàn)象層面，他們聯(lián)合了意大利、新加坡、法國(guó)等多國(guó)團(tuán)隊(duì)，通過第一性原理計(jì)算揭開了背后的微觀機(jī)制。

這就像在音樂里混音一樣。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種巨大的g因子調(diào)制，源于合金內(nèi)部一種叫“K-Q谷混合”的機(jī)制。由于合金中原子尺度的不均勻性，導(dǎo)帶中的K谷和Q谷的量子態(tài)發(fā)生了混合。這種混合，加上材料本身存在的機(jī)械應(yīng)變，共同作用，就像轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)巨大的旋鈕，極大地放大了激子的g因子 。

對(duì)于谷電子學(xué)來說，一個(gè)巨大的g因子意味著什么呢？

傳統(tǒng)的電子器件利用電子的電荷來攜帶信息，而自旋電子學(xué)利用電子的自旋。谷電子學(xué)則是一個(gè)更新的賽道，它利用的是電子在能量動(dòng)量空間中所處的不同“谷”來編碼信息 。K+和K-這兩個(gè)谷，就像兩個(gè)可以存儲(chǔ)0和1的盒子，我們可以用不同偏振的光（左旋光σ+和右旋光σ-）來分別讀寫它們 。

簡(jiǎn)單來說，g因子越大，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，就不需要用那么強(qiáng)的磁場(chǎng)（這意味著更低的成本和更小的體積）就能把兩個(gè)谷徹底分開，從而避免信息混淆，實(shí)現(xiàn)信息的精準(zhǔn)編碼、處理和讀取。這對(duì)于未來研制超低功耗、高計(jì)算效率的信息技術(shù)至關(guān)重要。

谷電子學(xué)作為一個(gè)有望超越摩爾定律的新方向，自然也是中國(guó)科學(xué)家重點(diǎn)布局的領(lǐng)域。

在實(shí)驗(yàn)和器件層面，中國(guó)的成果同樣令人矚目。早在2020年，南京大學(xué)王肖沐/施毅團(tuán)隊(duì)就與浙江大學(xué)等單位合作，在《自然·納米技術(shù)》上報(bào)道了一種能在室溫下工作的“能谷自旋晶體管”。他們利用不對(duì)稱的等離激元納米天線，在二硫化鉬中實(shí)現(xiàn)了谷信息的產(chǎn)生、傳輸和開關(guān)操作，而且這個(gè)過程可以不依賴電荷流，展現(xiàn)了極低的功耗潛力 。

可以說，從基礎(chǔ)物理機(jī)制的理解，到新材料、新器件的設(shè)計(jì)與制備，再到室溫下高性能的實(shí)現(xiàn)，中國(guó)的科研力量在谷電子學(xué)這條新賽道上，正與國(guó)際頂尖水平并駕齊驅(qū)，甚至在某些細(xì)分領(lǐng)域跑在了前面。

回到波蘭團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，它就像在已經(jīng)沸騰的谷電子學(xué)鍋里，又加了一把旺火。它提供的不僅僅是一個(gè)創(chuàng)紀(jì)錄的-10的數(shù)值，更是一個(gè)普適的、簡(jiǎn)單的、可擴(kuò)展的調(diào)控思路——“合金工程谷物理學(xué)”。這個(gè)思路或許將啟發(fā)科學(xué)家們?cè)诟嗟亩S材料家族中，通過元素混合這一看似平凡的舉動(dòng)，創(chuàng)造出更多不平凡的量子現(xiàn)象，推動(dòng)我們更快地步入一個(gè)屬于“谷”的信息時(shí)代。