近年来，“谷电子学”(valleytronics)中的一种新颖载流子自由度——谷自由度引起了广泛的关注。类似于电荷和自旋自由度，谷自由度同样具有可编码的二元状态，以此设计的一系列新型谷电子器件具有处理速度快、功耗小、集成度高等优势，极大推动了谷电子学在信息存储领域的应用。基于长期以来对铁性体系的研究经验，我院童文旖博士此前已经在单层二硫族化合物（TMDC）中成功预言了一类具有自发谷极化的谷电子体系[1]，称之为铁谷体（ferrovalley material）。遗憾的是，由于在前期研究中谷的极化来源于交换场的作用，其极性的翻转依赖磁场这种相对耗能的手段，这显然不满足现代信息社会对电子器件节能性的要求。

众所周知，利用电学手段实现对于电子自由度的调控是新型信息处理器件发展的大势所趋，也是当今电子学研究最为活跃的领域之一。相比于传统的磁场或电流刷新等方式，电场调控能够大大降低信息存储微器件的能耗，提高存储密度。此外，这种场效应技术与当今大规模集成电路技术相容，极有可能实现产业化。因此，在谷电子学中利用电学手段实现对于谷自由度的调控自然也倍受关注。正是基于这种考虑，极化材料与器件教育部重点实验室的研究人员进一步开展研究，探究电学手段来调控谷极化的潜在机制。以此为动机，在导师段纯刚教授指导下，我院童文旖博士，以及沈心蔚同学近期相继在电控铁谷性的研究上取得进展。

在具有自发谷极化的TMDC中，通过特殊的层间耦合设计，他们提出一种双层反铁谷体系，从而实现了电控反常谷霍尔效应[2]。k·p模型和第一性原理计算显示，这种调控机制实现的关键在于谷间的能级简并度可以通过外加垂直电场来进行可逆操纵。在不施加外场时，由于两个单层之间的反铁谷耦合，谷间的能带结构是能级简并的，此时的体系具有空间反演对称性，不存在反常的谷霍尔效应。当施加一个外加电场时，体系中引入的层间电势差导致原有的空间反演对称性被打破，层间子带将发生相对移动，从而打破谷间的能级简并度，最终导致反常谷霍尔效应的发生。不同于铁谷单层中谷极化起源于内禀交换作用，在反铁谷双层结构中，谷间的能级简并度取决于外加电场手段的调控，谷间的能级劈裂和反常谷霍尔效应中霍尔电压的符号均依赖于外加电场的方向。考虑到反常谷霍尔效应本身是电可探测的，因此，在这个双层体系中就可以通过电场的手段调控和探测反常谷霍尔效应，为实现全电学读写存储器件提供了一个具有潜力的平台。以上工作发表于Nature集团新创立的合作期刊《量子材料》上[npj Quantum Materials 2, 47 (2017)]。  

在谷电子学研究局限于蜂窝状结构类型的大背景之下，拓宽材料的备选范围对最终实现铁谷体中的电控谷极化非常重要。通过一系列的探索，他们又在单层类黑磷（GIVMs）的低维正交晶格体系中发现了铁电性与铁谷性的共存，成功地将铁谷体的概念从六角晶格扩展到了正交晶格[3]。在这类新型铁谷体中，铁电性的引入打破了谷间的四重反演对称性，从而产生自发谷极化，诱导出铁谷态。如果通过外加电场手段翻转铁电极化的方向，那么就可以进一步调控谷极化的状态。不同于六角晶格中的谷选择圆偏二色性，通过第一性原理计算和群论分析，他们进一步揭示和阐明了该类体系中的光学性质，即谷间光学跃迁是跟线偏振光耦合在一起的，从而在铁谷态时可以观察到线偏振光相关的光学带隙。基于这种非简并的光学跃迁，他们设计了一种新型的电控起偏器。在外加电场调控的铁谷态下，x或者y线偏振光可以被选择性的激发。不同于传统机械驱动的装置，这种基于铁谷材料的器件提供了一种更加精确和快速的电控起偏的方法。与此同时，基于二维材料设计的器件更加符合下一代电子产品小型化和多功能化的需求。因此，这类具有自发谷极化的二维正交材料作为新型的铁谷性家族成员，在谷电子和光电子器件方面具有极大的应用潜力。该工作发表于英国物理学会创办的二维材料权威期刊《二维材料》上[2D Materials 5, 011001 (2018)]。

铁谷体，作为铁性家族的新成员，本就是全新的概念，而对其中的谷极化利用电学手段进行调控更是全新的思路。铁谷体中电控谷极化的实现，依赖于新型铁谷性诱导机制的提出，标志着电荷自由度、自旋自由度、谷自由度三者的共存及相互关联。这一系列研究工作不仅契合当今电子学研究的发展潮流，即利用低能耗、非破坏性的电场控制电子的自由度，更囊括着极深的物理内涵。这些工作将帮助我们从本质上去理解自发谷极化的诱导机制，并考虑铁谷性、铁电性乃至铁磁性等多重铁性之间的耦合，对于多铁性理论的发展及其与谷电子学领域的融合都具有积极的推进意义。在应用层面，也将为电控信息记录元器件、电控光学元器件等下一代新型功能器件的实现夯实理论基础。

以上研究项目获得了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新计划等资助，计算平台是华东师范大学超算中心。