[论文解读] Optical manipulation of valley coherence via Landau level transitions in black phosphorus and WTe2 monolayers

Xinyu Mu, Shihao Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2026

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一句话总结

一个理论研究，表明在黑磷和 WTe2 单层中，随着各 Landau 能级之间的跃迁，谷道量子干涉可被显著增强，原因在于各向异性的跃迁概率，以及材料相关的差异。

ABSTRACT

Valley coherence is of great significance for exploring fundamental quantum phenomena and developing next-generation valleytronic devices. Herein, we theoretically investigate the valley quantum interference engineered by inter-Landau level (LL) transitions in black phosphorus (BP) and WTe2 monolayers. In contrast to the non-Landau-quantized regime, valley quantum interference is enhanced by over 20-fold, or even significantly stronger, in virtue of striking anisotropic environment. Such anisotropy originates from the distinct electron transition probabilities along the armchair and zigzag directions of BP and WTe2 monolayers. Especially, BP is capable of more effectively strengthening the valley quantum interference response due to its greater directional disparity in electron transition probabilities. The interference fringes also present distinct spectral profiles (e.g., different dip and peak numbers in one interference period) owing to different transition selection rules in BP and WTe2 monolayers. In spite of these discrepancies, normalized interference intensities follow two exponential functions of magnetic field and Landau level index for all the transitions δn = n'- n = -4, -2, 0, +2, +4 (where n and n' indicate the LL indexes of valence and conduction bands, respectively), and the interference spectra exhibit C2 rotational symmetry about the crystallographic azimuthal angle of 90°.

研究动机与目标

• 通过在 BP 和 WTe2 单层中研究跨 Landau 能级跃迁对谷量子干涉的设计。
• 理解 Armchair 与 Zigzag 方向上的各向异性如何影响谷相干。
• 比较 BP 与 WTe2 在加强谷干涉方面的差异。
• 在 Landau 量子化下表征干涉图样的光谱特征及对称性。

提出的方法

• 对 BP 和 WTe2 单层中跨 Landau 能级跃迁进行理论分析。
• 通过沿不同晶体学方向的跃迁概率评估谷量子干涉。
• 将归一化干涉强度作为磁场和 Landau 能级指数的函数提取。
• 识别 Landau 能级跃迁的选择规则及其对干涉图样的影响。
• 分析对称性特征，包括绕方位角的 C2 旋转对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 跨 Landau 能级跃迁设计能否增强 BP 与 WTe2 单层的谷量子干涉？
• RQ2 Armchair 与 Zigzag 方向之间的各向异性如何影响谷相干？
• RQ3 哪种材料—BP 还是 WTe2—由于方向差异而表现出更强的谷干涉？
• RQ4 在 LL 跃迁下干涉条纹的光谱特征（下陷/峰值结构）是什么？
• RQ5 哪些对称性特性支配这些单层中的干涉图样？

主要发现

• 由于跨 Landau 能级跃迁，在这些材料中谷量子干涉被增强了超过 20 倍。
• BP 显示出更强的干涉响应，因为跃迁概率在不同方向上差异更大。
• 干涉条纹呈现出不同的光谱轮廓，且每个周期内的下陷与峰值数量随材料而异。
• 归一化干涉强度对磁场和 Landau 能级指数遵循 δn = -4, -2, 0, +2, +4 的两条指数函数。
• 干涉光谱围绕晶体学方位角的 C2 旋转对称性为 90 度。