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研究院在《科学》杂志发表里德堡莫尔激子研究成果


 武汉量子技术研究院袁声军研究员、吴冯成研究员和中国科学院物理研究所、武汉大学、南开大学、兰州大学、日本国立材料科学研究所合作,实验观测到里德堡莫尔激子,相关成果6月29日发表在《Science》。论文题目为“Observation of Rydberg moiré excitons”。

 

研究院在《科学》杂志发表里德堡莫尔激子研究成果   (图1) 

里德堡态是一种广泛存在于原子、分子和固体等多种物理体系的物质状态。这些态的性质类似于氢原子模型中的高激发态,具有空间上的延展性和较大的电偶极矩,即使在非常微弱的外场下也能产生较强的响应。近年来,冷原子领域的实验技术进步使人们成功囚禁和调控了里德堡原子,基于里德堡原子体系的量子模拟与量子多体物理研究因此蓬勃发展,并受到了广泛关注。类似的,里德堡激子是一种处于激发态的电子-空穴对,于上个世纪50年代在半导体材料Cu2O中被首次发现。它们与里德堡原子具有相似的性质,并且与现代半导体技术更加兼容。但在三维固体体系中,对于里德堡激子的操控仍面临诸多挑战。近年的研究发现,以过渡金属硫化物为代表的二维半导体材料中的里德堡激子具有较强的库伦相互作用,易于通过构筑界面耦合进行多场调控。为了进一步实现里德堡激子的强耦合态,研究人员提出了一种方法,利用二维转角超晶格体系产生的莫尔势场对其进行调控,以实现空间束缚。


研究院在《科学》杂志发表里德堡莫尔激子研究成果   (图2)

里德堡激子与莫尔超晶格之间的相互作用示意图


了实现这一目标,中科院物理所的实验团队制备了单层WSe2与转角石墨烯形成的范德华异质结器件,并在栅压掺杂调控下,利用低温微区反射/荧光光谱技术对体系中的里德堡激子态进行了测量。由于器件制备过程中存在一定几率的角度弛豫,研究人员在偶然得到的小角度转角石墨烯样品(约0.6°)中意外地发现了一个有趣的现象。在栅压调控下,里德堡激子态出现了多重劈裂和显著的红移,这完全超出了弱耦合下的激子行为,这一现象被称之为里德堡莫尔激子态。武汉量子研究院院研究员、武汉大学教授袁声军、吴冯成理论团队利用自主发展的大尺度计算物理方法TBPM和计算软件TBPLaS(www.tbplas.net),对包含多达近千万原子的超大体系进行了精确的电子结构计算,发现莫尔超晶格中的空间电荷分布对这一实验现象的产生起到了关键作用。以电子掺杂侧为例,莫尔超晶格AA区域的电荷密度相对AB/BA区域更高,这使得2s里德堡激子中的空穴更容易被AA区域聚积的电荷所吸引。同时,为了减小总的库伦能量,2s激子中的电子更倾向于电子密度较低的AB/BA区域,从而导致了激子中电子和空穴的空间分离现象(被称为电荷转移型激子)。由于AA区域电荷密度更高,激子中的电子和空穴受到的层间库伦作用无法相互抵消,从而产生了引起红移现象的净吸引效应。在该体系中,转角石墨烯中产生的周期性莫尔势场类似于冷原子体系中的光晶格,为里德堡激子提供了一个高度可调的束缚势场。

研究院在《科学》杂志发表里德堡莫尔激子研究成果   (图3) 

WSe2中的里德堡莫尔激子及其栅压演化规律

这项研究系统地展示了对于里德堡莫尔激子的可控调节和空间束缚,为基于固态体系中里德堡态的量子信息处理和量子模拟提供了全新的机遇,为实现新型的量子技术和量子计算提供了新的途径。研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、武汉大学超算中心和怀柔综合极端实验装置等机构的资助。

袁声军团队长期从事原创计算物理方法的探索、发展和应用研究(yuan.whu.edu.cn),发展了线性标度的TBPM和DFPM等大尺度计算物理方法,模拟尺度较传统方法提升数个数量级,并独立自主开发了多款计算物理软件,包括基于紧束缚近似的TBPLaS和基于密度泛函理论的ABPLaS。

论文链接:https://doi.org/10.1126/science.adh1506