当半导体晶体管迅速逼近纳米尺度,经典定律逐渐失效,电流泄露、器件热耗散等问题日益严重。传统的硅工业将要到达发展的极限,寻找性能优异的材料并研究如何精准地操控电子成为打破摩尔定律发展瓶颈的突破口。近年来被广泛研究的过渡金属二硫化合物(TMDCs)具有优异的光学和电学特性,可用于光互联、光网络、超快激光器和高性能光电器件中。本文基于TMDCs的超快非线性光学特性以及载流子能谷自旋动力学特性进行全方位、多维度、多学科交叉的实验研究,对判断该材料能否在光子神经网络和光计算中得到应用提供重要理论指导。具体工作与创新点如下:1.构建了一个微区非线性光学测试系统,设计并编写了系统自动控制软件。与传统人工实验相比,该系统将光学实验效率提高了约90倍,将测试系统信噪比提高约2个数量级,极大地拓宽了非线性光学测量技术的应用范围。2.研究了非常温、大注入条件下低维TMDCs中载流子的超快非线性光学特性,探究非常温条件对TMDCs材料载流子超快弛豫特性的影响。明确温度变化TMDCs的带隙、晶格结构以及载流子迁移率等影响的一般规律。发现了材料的宽光谱吸收现象及剧烈的激子能带重整化现象。相较与目前国内外研究,本文着重研究了多种极端实验条件下TMDCs中载流子动力学以及能带重整过程,以期解释TMDCs宽谱吸收以及反常禁带内饱和吸收现象。3.研究低维量子体系中载流子输运蕴含的新奇物理效益和物理机制。相较于传统理论研究,本文把应用出口作为研究导向,实验验证了TMDCs中载流子的能谷极化特性,设计并验证了一个多级逻辑门,并给出了鲁棒性提升方案。