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里德伯激子是里德伯原子的固態(tài)對應物，在利用其量子應用潛力方面引起了人們相當大的興趣。

但實現(xiàn)它們的空間限制和操縱是一個重大挑戰(zhàn)。最近，具有高度可調(diào)諧周期勢的二維莫爾維爾超晶格的興起，提供了一種可能的途徑。

在此，來自武漢大學的袁聲軍&中國科學院物理研究所的許楊等研究者通過里德堡(里德堡)莫爾激子(X_RM)的光譜實驗證明了這種能力，而這些激子是在與扭曲雙層石墨烯相鄰的單層半導體二硒化鎢中莫爾捕獲的里德堡激子。

相關(guān)論文以題為“Observation of Rydberg moiré excitons”于2023年06月29日發(fā)表在Science上。

物質(zhì)的里德堡態(tài)，在各種物理平臺上廣泛存在，從原子到分子再到固體。它們共享共同特征，如波爾對高度激發(fā)的氫原子的描述。里德堡態(tài)波函數(shù)的大空間范圍促進了大偶極矩，并顯著增強了對弱外場的敏感性。

在過去的20年里，由于冷原子的捕獲和操縱方面的實驗發(fā)展，使得研究量子多體物理和量子信息處理變得更加容易，因此里德堡原子引起了更多的關(guān)注。

同樣地，隨著半導體中電子-空穴對的高階庫侖束縛態(tài)的出現(xiàn)，也提出了將里德堡激子作為潛在應用的可能性，例如模擬拓撲Haldane相和實現(xiàn)量子優(yōu)化算法。它們的固態(tài)性質(zhì)使其與現(xiàn)代半導體技術(shù)兼容。

然而，對于里德堡激子的大規(guī)模材料中的空間捕獲控制可能是困難的。在這項工作中，研究者使用了具有強烈光-物質(zhì)相互作用的二維(2D)半導體單層(特別是WSe₂)，它支持高階激子里德堡態(tài)。

近年來，利用環(huán)境敏感的里德堡激子，在原子薄半導體中的高階激子里德堡態(tài)，來探測附近的異構(gòu)電子態(tài)和相變的技術(shù)已得到應用。在該實驗中，研究者在單層WSe₂(上層，圖1)下方放置了二維莫爾條紋[尤其是扭曲雙層石墨烯(TBG)；圖1中的下層]以提供空間周期調(diào)制。

當由TBG創(chuàng)建的勢阱的波長λ小于(或僅可比)激子的尺寸r_B [~7 nm]時，Wannier型激子的波包會在幾個莫爾晶胞上散布，并不會失去其移動性，如圖1左側(cè)所示。該系統(tǒng)的光學響應主要由里德堡傳感方案主導。

圖1. 里德堡激子(尺寸r_B)與具有小周期性(波長λ)和大周期性(波長λ)的TBG莫爾超晶格之間相互作用的示意圖

在這里，研究者通過里德堡莫爾激子的光譜證據(jù)，在鄰近扭曲雙層石墨烯的單層半導體鎢二硫化物中進行了實驗驗證。在強耦合模式下，X_RM表現(xiàn)為反射光譜中的多個能級分裂、明顯的紅移和窄線寬，突顯了它們的電荷轉(zhuǎn)移特性，其中通過強烈的非對稱介面庫侖相互作用強制執(zhí)行電子-空穴分離。該發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)確立了激子里德伯態(tài)作為量子技術(shù)開發(fā)的候選者。

圖2. 10°和1.14°TBG 附近 WSe₂的里德堡傳感

圖3. 0.6°TBG 附近 WSe₂中里德堡云紋激子的形成

圖4. 扭角依賴和交叉到強耦合狀態(tài)

綜上所述，研究者發(fā)展并通過實驗驗證了一種使用長波長莫爾勢空間限制和操縱里德堡激子的方法。強束縛的X_RM復合物，可以被介面相互作用主導，接近基態(tài)激子的能級。

該系統(tǒng)可以通過靜電摻雜輕松訪問控制勢阱深度，通過扭轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)莫爾波長，并通過電子-空穴分離實現(xiàn)更長的壽命保證。所有這些特征都有助于進一步實現(xiàn)激子態(tài)里德堡-里德堡相互作用和相干控制。

該研究可能為基于固體系統(tǒng)中多功能的里德堡態(tài)實現(xiàn)量子信息處理和量子模擬開辟前所未有的機會。

作者簡介

袁聲軍，教授，博士生導師，男，1979年4月出生。2001年本科畢業(yè)于浙江大學物理系，2003年獲得德國錫根大學理論物理碩士學位，2008年獲得荷蘭格羅寧根大學計算物理博士學位。自2016年12月?lián)挝錆h大學物理與科學技術(shù)學院教授，目前兼任武漢大學量子物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換協(xié)同創(chuàng)新中心理論部主任，武漢大學理論物理中心副主任，荷蘭奈梅亨大學和北京計算科學研究中心客座教授，武漢量子技術(shù)學院兼職研究員，湖北省青年科協(xié)副理事長。

主要的研究領(lǐng)域為計算物理學和凝聚態(tài)理論，包括發(fā)展針對復雜量子體系的大尺度模擬方法，發(fā)展針對量子多體問題的計算方法，低維量子體系的電學、光學、輸運和等離基元性質(zhì)，通用與專用量子計算機模擬，強關(guān)聯(lián)自旋系統(tǒng)的弛豫和退相干等等。先后主持國家自然科學基金面上項目3項，理論物理?？铐椖?項，參與國家重點研發(fā)計劃專項1項。

已在Nature、Science、Nature子刊、Phys. Rev. X、Phys. Rev. Lett.、ACS Nano等國際期刊發(fā)表學術(shù)論文一百余篇，其中第一或通訊作者70余篇，Phys. Rev.系列60余篇。在國內(nèi)外學術(shù)會議上做邀請報告20多次，受邀為Nature、Nature Materials、Nature Physics、 Nature Photonics、Phys. Rev. Lett.等二十多個期刊的審稿人。

袁聲軍教授課題組常年招收本科生、研究生和博士后，目前的主要研究方向包括：（1）發(fā)展基于第一性原理的計算新方法；（2）發(fā)展量子體系的大尺度模擬新方法；（3）發(fā)展強關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)的計算新方法；（4）通用與專用量子計算機的模擬方法；（5）機器學習與計算物理結(jié)合的新方法

許楊，2011年本科畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學，2018年取得美國普渡大學（Purdue University）物理學博士學位，2018年6月至2020年11月在美國康奈爾大學（Cornell University）從事博士后研究。2020年12月加入中科院物理研究所，任特聘研究員，博士生導師。2021年擔任科技部重點研發(fā)計劃（青年項目）首席科學家。2023年起任納米物理與器件實驗室N08課題組“低維電子系統(tǒng)”組長。

主要研究方向：

關(guān)注低維電子體系中的新奇物性，研究內(nèi)容涵蓋：拓撲量子材料的電學輸運性質(zhì)；二維轉(zhuǎn)角moiré超晶格結(jié)構(gòu)中的強關(guān)聯(lián)效應；光學方法（如反射譜、熒光、磁光、拉曼等等）探測低維材料光學性質(zhì)及相變；低溫強磁場等極端條件下的物理性質(zhì)。

過去的主要工作及獲得的成果：

研究工作多次發(fā)表在國際知名雜志期刊，其中包括Nature (2)，Science，Nature Materials (4)，Nature Nanotechnology (3)，Nature Physics，PRX/PRL (3)，Nature Communications (2)，Science Advances等。相關(guān)成果多次被ScienceDaily、PhysicsToday等新聞媒體報道。
代表性工作有：

在拓撲材料的量子輸運方面：首次實現(xiàn)體態(tài)幾乎完全絕緣的三維拓撲絕緣體（基于BiSbTeSe₂）樣品器件，并證實其表面態(tài)占優(yōu)的導電特性可以持續(xù)到室溫的條件下。同時首次在三維拓撲絕緣體中觀測到由表面態(tài)產(chǎn)生的“半整數(shù)”量子霍爾效應，從輸運的角度證實了其每個表面態(tài)具有單簡并狄拉克錐的能帶結(jié)構(gòu)。具體內(nèi)容參見Nature Physics?10, 956?(2014)。實現(xiàn)對三維拓撲絕緣體薄膜樣品兩個表面態(tài)的獨立調(diào)控；并在較薄樣品觀測到兩個表面態(tài)的耦合作用，和在平行場下巨大的負磁阻效應。詳細內(nèi)容參見Nature Communications?7, 11434 (2016)和?PRL?123, 207701 (2019)。

在moiré超晶格系統(tǒng)及光學測量方面：通過二維單層TMD材料中激子對周圍電介質(zhì)介電屏蔽敏感的特性，設計了一種用光學探測二維材料（如graphene或moiré超晶格體系等等）由態(tài)密度改變引起的介電常數(shù)變化的方法：“里德堡激子探測”。具體內(nèi)容參見在Nature?587,?214?(2020)和Nature Materials?20, 645 (2021)。觀測到WSe₂/WS₂?moiré超晶格系統(tǒng)中豐富的在分數(shù)填充（1/4，1/2，1/3，2/5等等）的強關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)，并提出對應的電子晶體排布結(jié)構(gòu)，指出1/2和2/5等態(tài)自發(fā)性地破壞了晶格的旋轉(zhuǎn)對稱性，屬于新型條狀物態(tài)（stripe phase）。同時指出這些分數(shù)填充態(tài)有關(guān)于1/2態(tài)的對稱性（如1/4與3/4，2/5與3/5等等）以及對稱性被破壞的機理。相關(guān)文章發(fā)表在Nature?587,?214?(2020)。首次構(gòu)建轉(zhuǎn)角雙層二維鐵磁材料系統(tǒng)（基于CrI₃），實現(xiàn)鐵磁-反鐵磁共存的磁性基態(tài)，可能與形成摩爾周期性的磁疇有關(guān)。詳細內(nèi)容見Nature Nanotechnology?(2021)。

文獻信息

Qianying Hu et al., Observation of Rydberg moiré excitons. Science380,1367-1372(2023). DOI:10.1126/science.adh1506

原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh1506

http://edu.iphy.ac.cn/moreintro.php?id=4395

https://physics.whu.edu.cn/info/1178/5238.htm

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/10/11/7579f7f249/

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