传统电子器件主要依靠电子电荷进行信息的传输和处理。除电荷外，电子在特定材料中还可以具有自旋和能谷等自由度，这些自由度可作为信息编码、存储和处理的新载体，有望突破传统电荷电子器件在功耗和速度方面的限制。二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）中，电子的自旋状态与能谷状态紧密关联，使其能通过光学或电学手段对谷态进行生成、调控和探测，因此TMDCs成为谷电子学和自旋电子学研究的重要材料平台。然而，这类材料的谷相干时间通常只有亚皮秒量级，要在如此短的时间尺度内实现有效的自旋/谷态相干操控，采用常规外磁场方法，需要依赖极强的磁场实现快速自旋和谷态调控，难以满足实际器件应用需求。因此，发展一种能够在较低磁场下调控相干自旋/谷动力学的新机制，是推动相干谷电子器件实用化的重要方向。

近日，中国科学院半导体研究所半导体芯片物理与技术全国重点实验室黄雨青研究员、王开友研究员及其合作者，构建了由二维半导体WSe₂和二维磁性半导体CrSBr组成的磁性范德华异质结构，利用反常磁邻近效应（MPE）实现了对亚皮秒尺度相干自旋/谷动力学的调控。该异质结构具有共振对齐的能带结构，有利于界面电荷转移（CT）态形成，同时WSe₂与CrSBr的非共线自旋构型，为驱动相干自旋/谷进动提供了关键条件（如图1b所示）。实验发现，该异质结构中WSe₂的谷塞曼劈裂和发光偏振度均显著增强（如图2所示）。谷塞曼劈裂指不同能谷在磁场作用下发生能级分裂的现象，其增强表明异质结构中的谷态能够更有效地受到磁性调控，并表现出更强的光学响应。

进一步研究发现，在较低磁场范围内，该异质结构的PL圆偏振度随磁场呈现明显的非线性变化，这种反常磁光响应表明，界面电荷转移态的强交换相互作用与非共线自旋构型的协同作用，能够驱动亚皮秒尺度的相干自旋/谷进动（如图3所示），为在较低外磁场下操控相干自旋/谷动力学提供了新的机制。该反常磁邻近效应还产生了光学手性可控的二维磁性交换偏置现象（如图4所示），为利用光学手段操控二维磁性提供了新的思路。

该研究在二维TMDCs/磁性半导体异质结构中展示了相干自旋/谷动力学的控制策略，揭示了反常磁邻近效应在调控超快自旋/谷进动中的新作用，开辟了超快量子信息编码和自旋/谷态调控的新路径。

相关研究成果以“Controlling the Subpicosecond Coherent Spin and Valley Dynamics with Anomalous Magnetic Proximity Effect”为题发表在期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。半导体所黄雨青研究员、张菁研究员、王开友研究员、清华大学熊启华教授为通讯作者，半导体所博士生胡倩、谭勇、瑞典皇家理工学院崔琪睿博士为第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、新基石科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/86pk-g8d6