近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）低维量子材料团队联合德国马克斯·普朗克微结构物理研究所（MPI-MSP）、美国阿肯色大学（UArk）等单位，基于分子束外延（MBE）制备出原子级宽度的SnTe–PbTe单层平面超晶格与“三明治”异质结构，在此基础上提出并验证了能谷选择性透射的物理机理。2025年12月11日，相关研究成果以“SnTe–PbTe–SnTe 单层平面异质结中基于铁电开关的能谷选择性透射”（Ferroelectrically switched valley-dependent transmission in SnTe–PbTe–SnTe monolayer lateral heterostructures）为题，在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

图1 SnTe–PbTe-SnTe平面异质结结构的基本设计，以及面内铁电极化与能谷取向的关系。

针对未来量子器件对界面质量提出的严苛要求，研究团队在材料生长与结构设计两个方面均实现了关键突破：材料生长方面，在石墨烯/SiC衬底上实现定向外延生长，获得原子级平直的SnTe-PbTe平面界面，将单层PbTe最窄宽度压缩到2 nm，并将界面互扩散抑制至约1 nm；结构设计方面，提出并构建了单层SnTe–PbTe–SnTe的“三明治”平面异质结构以及多段超晶格结构，使能谷对齐/失配可在同一平台被系统调控与对比。原位低温STM/STS表征揭示了SnTe与PbTe单层的II型能带对准，以及SnTe纳米线中的一维束缚态，显示出优异的晶体质量与清晰可分辨的电子结构，为横向隧穿与量子干涉研究奠定了坚实材料基础。

图2 STM形貌图显示原子级平直界面；原位微分电导谱显示两种材料的II型能带对准。

在此基础上，研究团队提出并实证了“能谷选择性透射”的核心机制——单层SnTe的面内铁电极化决定能谷位置。当两侧极化平行时，动量空间中能谷对齐，PbTe单层中空穴态的透射被允许；当极化正交时，谷失配导致透射显著受抑制。空间分辨微分电导谱表征了该选择性透射的特征，包括驻波的能量选择性中断与有效势垒位置的突变。进一步，通过STM针尖施加的局域电场，还可以实现在同一区域将极化可逆地旋转90°，从而在“允许/抑制”两种透射状态间切换，验证了能谷选择性的透射机理。

图3 SnTe–PbTe–SnTe–PbTe–SnTe“三明治”结构的STM形貌与空间分辨微分电导谱，展示驻波的能谷选择性透射与有效势垒位置的变化。

该工作在原子级宽度的二维平面异质结中实现了能谷选择性透射的直接演示，揭示了由动量空间“能谷匹配”主导的全新隧穿机制。该路线为探索非易失谷电子学提供了新的材料与物理平台，并有望拓展至垂直结构以及更复杂的低维量子体系。依托纳米尺度平面异质结构的可控制备，有望进一步构筑并调控一维拓扑超导态、量子点阵列等关键量子功能单元，并服务于新一代量子计算等前沿应用场景。

图4 利用STM针尖施加局域电场在同一区域将面内极化旋转90°，并通过空间分辨谱学原位观测从“允许”到“抑制”态的切换。

该论文的共同第一作者为量子院常凯研究员、MPI-MSP博士生季婧蓉、量子院助理研究员高子昂，通讯作者为量子院常凯研究员、MPI-MSP的Stuart S. P. Parkin教授、UArk的Salvador Barraza-Lopez教授，文章的合作者还包括UArk的Angiolo Huamán博士、量子院博士生曹瑞琦、助理研究员王文琳、高级工程师岳程光、副研究员刘充。该工作获得科技创新2030国家科技重大专项、国家自然科学基金、北京市科技计划等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66005-2

课题组网站：http://www.kaichanglab.cn/