Nature Photonics | 片上可编程谷光电子纳米电路：室温下谷依赖手性光子的全片上处理

在过渡金属二硫族化合物（TMDCs）中，谷自由度（K和K'能谷）可通过圆偏振光进行选择性激发，产生谷极化激子，实现超快谷电子学。然而，尽管TMDCs在谷电子学领域展现出巨大潜力，完全集成的谷光电子学——包括片上原位产生、选择性路由以及谷依赖手性光子的电学读取——一直是尚未解决的重大挑战。

传统方法通常依赖大体积光学元件和远场检测，难以实现小型化和集成化。因此，开发单芯片集成的谷光电子电路成为该领域的关键需求。

针对上述挑战，研究团队提出了一种名为“谷超波导光电探测器”的新型器件 （图1），其核心设计包括两个关键部分：

1. 手性选择性超表面：该超表面由非晶硅（a-Si）制成，能够将左旋和右旋圆偏振光分离，并通过赋予相反的横向动量，实现光子的定向波导耦合。

2. 氮化硅波导和光电探测器：在波导两端集成了少层二硒化钨（WSe₂）光电探测器，仅对谷依赖的上转换（二次谐波）光子响应，消除了泵浦光诱导的光电流。

图1：波导路由光子检测与片上可编程谷光电子纳米电路示意图

通过精确优化超表面单元结构的几何参数，该器件实现了高达0.97的偏振选择性（图2）。实验表明，目标波长620 nm（单层WS₂带隙对应的荧光波长）处的圆偏振光可被高效解复用并定向路由至波导两端。

图2：手性选择性超波导的设计、制备与远场光学表征

研究团队采用六方氮化硼（hBN）封装的单层二硫化钨（WS₂）作为核心发光材料。在室温条件下，声子与激子的相互作用显著，导致谷极化态在荧光寿命时间内迅速退相干，因此单层 WS₂ 的谷极化荧光偏振度通常较低（约 10%）。相比之下，研究团队利用非线性光学中的二次谐波效应，在共振激发条件下实现了接近 100% 谷极化的手性光子发射（图3）。不同于依赖实激子复合的光致发光过程，二次谐波属于超快的相干虚跃迁过程，几乎不受谷间散射及激子退相干的影响。因此，即使在室温下，谷相关的二次谐波光子依然能够保持优异的谷极化特性。

图3：谷依赖手性二次谐波光子的产生及其在超波导器件中的选择性路由

研究人员通过集成微区光电流测试系统，成功实现了谷信息在芯片上的光电读取。他们将“袋鼠”和“考拉”两张图像分别编码到左旋和右旋谷光子中，通过器件处理后，左右两个光电探测器成功解码出相应的图像信息（图4）。测试结果显示，信号与噪声比例达到了30:1至60:1，证实了该平台能够有效抑制串扰，实现高保真度的谷信息处理。

图4：谷依赖手性二次谐波光子的光电流读取与谷信息片上处理

本工作展示了室温下全片上谷光电子电路的可行性，实现了谷依赖光子从产生到读取的完整功能。由于采用二次谐波这种超快过程，谷信息的编码完全避开了激子寿命的限制。尽管二次谐波效率相对较低，但通过与光子晶体、超表面等共振结构集成，有望大幅提升其效率。该设计还与电驱动光源、量子光源等兼容，为未来全集成谷电子学、量子谷光子学及片上信息处理提供了全新的技术平台。

Li, C., Xing, K., Zhai, W. et al. An on-chip programmable valley optoelectronic nanocircuit. Nat. Photon. (2026). 

 https://doi.org/10.1038/s41566-026-01916-0

Chi Li（李驰），澳大利亚莫纳什大学物理与天文学院博士后研究员。先后于安徽大学、苏州大学、悉尼科技大学获得理学学士、硕士及博士学位。李驰博士致力于纳米光子学研究，主要研究方向包括固态量子光源的产生与调控，以及基于超表面的光电子与光量子集成器件等。在技术专长方面，他具备覆盖超表面光学设计、微纳加工、量子材料制备与光学表征的全链条仿真与实验能力。他以第一及通讯作者在Nature Photonics、Nature Communications、eLight等顶级期刊上发表学术论文十余篇。累计发表学术期刊论文50余篇，总引用次数超过4000次，谷歌学术H-index 34。2021年荣获中国政府优秀自费留学生奖。近年来多次受邀在重要国际学术会议上作口头报告。

Kaijian Xing（邢凯健），上海大学物理与天文系副教授。先后于上海大学，墨尔本大学，乐卓博大学取得学士，硕士，博士学位。随后于墨尔本皇家理工大学，澳门科技大学，莫纳什大学从事博士后研究工作。邢凯健长期致力于二维材料的电子及光电子器件应用的研究。近五年，他以第一（含共同）及通讯作者在Nature Photonics、Nature Communications、ACS Nano等顶级期刊上发表十余篇学术论文，累计发表学术期刊论文近40篇。于2025年获得上海市海外高层次人才引进。近年来多次受邀在重要国际学术会议上作口头报告。

Qingdong Ou（欧清东），澳门科技大学澳门材料科学与工程研究院，助理教授、博士生导师。2019年获澳大利亚莫纳什大学博士学位。主要从事极化激元纳米光子学与光电器件技术研究。共发表学术论文90余篇，以第一或通讯作者（含共同）在 Nature, Nature Photonics, Nature Synthesis, Nature Communications, Science Advances等高水平期刊发表40篇。研究成果入选“2020年世界物理学十大突破”。主持国家自然科学基金委项目、澳门科学技术发展基金项目、广东省自然科学基金项目等。曾入选澳大利亚 ARC DECRA Fellow，获提名亚洲青年科学家基金项目等；获江苏省科学技术奖一等奖，教育部自然科学二等奖，中国政府优秀自费留学生奖，莫纳什大学校长卓越研究奖等。

Zhaogang Dong（董兆冈），新加坡科技设计大学（Singapore University of Technology and Design）科学、数学与技术（SMT）学院副教授，同时兼任新加坡科技研究局（A*STAR）量子创新中心（Q.InC）首席科学家。他的研究方向主要涵盖亚10纳米尺度微纳加工、纳米光子学、光电元器件（optoelectronic meta-devices）以及量子超导器件。董兆冈博士已在国际顶级学术期刊（包括 Nature Photonics、Advanced Materials、ACS Nano、Science Advances、Nature Communications、Nature Electronics、Advanced Functional Materials 和 Nano Letters 等）发表学术论文110余篇，并在纳米光子学与量子器件技术领域拥有4项PCT国际专利。

Stefan A. Maier教授，澳大利亚科学院院士，现任莫纳什大学物理与天文学院院长，纳米光子学实验室团队负责人。他在慕尼黑工业大学完成物理学本科学习后，进入加州理工学院（Caltech）攻读应用物理研究生，并于21世纪初先后获得硕士与博士学位。此后，他先后任职于英国巴斯大学和伦敦帝国理工学院。在帝国理工期间，他曾担任研究生教育主任、实验固体物理负责人，并于2016年获任帝国理工Lee Lucas 实验物理学讲席教授。2019年至2022年，他在慕尼黑大学建立新的研究团队，随后加入莫纳什大学担任现职。Maier教授长期致力于纳米光子学研究，探索将光约束在衍射极限以下极小空间中的物理机制与器件应用。自2017年起，他连续入选 “科睿唯安（Clarivate）全球高被引科学家”。在学术人才培养方面，他指导的几十名早期科研人员和博士生在全球多所知名高校担任教职，学术传承广泛。

Haoran Ren（任浩然），莫纳什大学（Monash University）物理与天文学学院高级研究员、澳大利亚研究理事会（ARC）Future Fellow,  DECRA Fellow，并领导 Monash NanoMeta 研究团队。他的纳米光子学研究聚焦于光的多维特性及其在纳米尺度和量子层面的精确调控与相互作用。致力于揭示多维光场调控与结构光—物质相互作用中的基础物理机制，研究方向涵盖结构光成像、超光学、共振光子学、量子光子学、近场与片上光子学以及光纤光学等。任博士同时担任 ARC 变革性超构光学系统卓越中心（TMOS）副研究员、澳大利亚与新西兰光学学会秘书（2025, 2026）以及 OPTICA 光子超构材料技术委员会 2024–2026 年度主席。他曾获莫纳什大学 2024 年度科学学院科研卓越奖、2024 年 SPIE 最佳论文奖、2023 年《Light: Science & Applications》Rising Stars of Light、2022 年澳新光学学会 Geoff Opat 早期研究者奖、2021 年麦考瑞大学研究员奖学金、2019 年洪堡学者奖、以及 2018 年维多利亚州研究员奖。入选斯坦福大学世界前2%科学家（2022-2025）和Scilit 高被引学者（2024，2025）等榜单。