探索宇宙奧秘 · 理性思考

想象一下，你手里有一種材料，它的某個關鍵性能參數原本只有“-4”。通過極其復雜的堆疊工藝，費了九牛二虎之力，你勉強把它提升到了“-10”。但現在，有人發(fā)現了一個更簡單的辦法：只需要在生長材料時，像炒菜加調料一樣改變一下兩種金屬元素的比例，這個參數就能輕松從“-4”一路狂飆到“-10”，甚至更多。

這聽起來有點像天方夜譚，但它真實地發(fā)生在當前凝聚態(tài)物理最前沿的領域之一——“谷電子學”中。2026年2月23日，來自波蘭華沙大學物理系的研究團隊在《物理評論快報》上發(fā)表了一項重磅成果，揭示了如何通過合金工程，以一種極其簡單且可擴展的方式，實現對二維半導體材料“谷”特性的精密調控 。

要理解這項工作的精妙之處，我們得先認識兩個主角：激子和它的g因子。

激子是什么？你可以把它想象成材料內部一個短暫的“二人組”。在半導體里，一個電子被光激發(fā)后跳走，留下一個帶正電的空位（空穴）。電子和空穴因為靜電吸引抱在一起，就形成了激子。 它決定了二維材料的光學性質，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？它是激子與磁場相互作用強弱的一個“刻度尺”，或者說是激子磁矩的大小。當給材料加上一個垂直的磁場，原本能量相同的兩個不同“谷”（K+和K-，我們可以把它們理解為電子居住的兩個不同的能量低谷）會發(fā)生能量分裂，這就是塞曼效應。這個分裂有多大，就由g因子決定。 g因子的絕對值越大，意味著在同樣大小的磁場下，兩個谷的能量差就越大。

在傳統(tǒng)的認知里，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因子會是多少？很多人可能會想當然地認為，應該在-4之間線性變化。

但現實總是比想象更精彩。

結果令人瞠目結舌：g因子并非線性變化，而是表現出強烈的非線性。當合金中鉬的含量僅為20%左右時，g因子竟然急劇下降到了約-10！這是一個此前只有在極其復雜的莫爾超晶格結構中才能達到的數值 。

“在我們的工作中，我們證明了對于過渡金屬硫化物合金來說，控制單層的化學成分就足以實現這一目標，” 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。

為什么簡單地混合兩種金屬原子，會產生如此巨大的效果？科學家們并沒有停留在現象層面，他們聯合了意大利、新加坡、法國等多國團隊，通過第一性原理計算揭開了背后的微觀機制。

這就像在音樂里混音一樣。研究團隊發(fā)現，這種巨大的g因子調制，源于合金內部一種叫“K-Q谷混合”的機制。由于合金中原子尺度的不均勻性，導帶中的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械應變，共同作用，就像轉動了一個巨大的旋鈕，極大地放大了激子的g因子 。

對于谷電子學來說，一個巨大的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，而自旋電子學利用電子的自旋。谷電子學則是一個更新的賽道，它利用的是電子在能量動量空間中所處的不同“谷”來編碼信息 。K+和K-這兩個谷，就像兩個可以存儲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 。

簡單來說，g因子越大，我們在實際應用中，就不需要用那么強的磁場（這意味著更低的成本和更小的體積）就能把兩個谷徹底分開，從而避免信息混淆，實現信息的精準編碼、處理和讀取。這對于未來研制超低功耗、高計算效率的信息技術至關重要。

谷電子學作為一個有望超越摩爾定律的新方向，自然也是中國科學家重點布局的領域。

在實驗和器件層面，中國的成果同樣令人矚目。早在2020年，南京大學王肖沐/施毅團隊就與浙江大學等單位合作，在《自然·納米技術》上報道了一種能在室溫下工作的“能谷自旋晶體管”。他們利用不對稱的等離激元納米天線，在二硫化鉬中實現了谷信息的產生、傳輸和開關操作，而且這個過程可以不依賴電荷流，展現了極低的功耗潛力 。

可以說，從基礎物理機制的理解，到新材料、新器件的設計與制備，再到室溫下高性能的實現，中國的科研力量在谷電子學這條新賽道上，正與國際頂尖水平并駕齊驅，甚至在某些細分領域跑在了前面。

回到波蘭團隊的這項研究，它就像在已經沸騰的谷電子學鍋里，又加了一把旺火。它提供的不僅僅是一個創(chuàng)紀錄的-10的數值，更是一個普適的、簡單的、可擴展的調控思路——“合金工程谷物理學”。這個思路或許將啟發(fā)科學家們在更多的二維材料家族中，通過元素混合這一看似平凡的舉動，創(chuàng)造出更多不平凡的量子現象，推動我們更快地步入一個屬于“谷”的信息時代。