當兩個或多個周期性物質相互重疊時，就會形成摩爾紋（Moiré pattern）。生活中，當用手機拍攝電腦上的圖案時，經常會出現電腦屏幕上本不存在的波紋，這就是摩爾紋。

生活中的摩爾紋

當然，這樣的現象不僅出現在生活中，在普通的二維材料中也可以看到，并在量子材料系統中產生豐富的物理學現象。在過去的十年中，摩爾紋以前所未有的新現象和獨特功能而引人注目，改變了基礎固體物理學、材料科學和工程學的格局。

在凝聚態物理學中，摩爾紋（也稱為摩爾超晶格）可以通過垂直堆疊兩個或多個具有微小扭轉角和/或輕微晶格不匹配的二維（2D）層狀材料來形成。

在此，中科院物理所杜羅軍特聘研究員和張廣宇研究員，芬蘭阿爾托大學歐洲科學院院士孫志培教授總結了摩爾紋二維材料的最新發展，作者重點介紹了新興的摩爾光子學和光電子學的最新進展，包括但不限于摩爾激子、氘子和極化子，共振雜交激子等。

同時，還討論了該領域的未來機遇和研究方向，例如開發先進技術來探測單個摩爾超晶格中的新興光子學和光電子學，探索新的鐵電、磁和多鐵摩爾紋系統，并利用外部自由度設計摩爾紋屬性，以實現潛在的技術創新。

相關文章以“Moiré photonics and optoelectronics”為題發表在Science。

二維（2D）層狀材料開創了基礎研究和技術創新的新時代，具有不同性質的二維原子層可以堆疊在一起形成范德華（vdW）異質結構，而不受傳統異質結構中晶格匹配的限制。這使得有機會將不同成分的最佳特性結合在一個最終的合成量子材料中，從而實現許多以前不可能的電子，光子，磁性和拓撲功能。

結果顯示，由于組成2D原子層之間的干涉，出現了幾何摩爾紋超晶格，具有輕微的晶格失配/或小的旋轉扭曲（圖1A）。這種摩爾超晶格引入了新的長度和能量尺度，并為設計能帶結構和新穎量子現象的光物質相互作用。

圖1.?摩爾超晶格和摩爾物理學研究的關鍵發展的時間線

當摩爾超晶格遇到光時，它們為發現新興光子和光電現象以及器件架構提供了一個強大的平臺。使用摩爾超晶格提供的新自由度為設計激子帶結構和光物質相互作用提供了可能性，適用于多種應用，例如多功能量子光源、新的量子多體物理學和長期尋求的玻色子晶體。事實上，在過去幾年中，出現了豐富多樣的新興摩爾光子和光電特性，可能用于下一代非線性光子學和光電子學。

圖2. 摩爾光子學和光電子學。基于摩爾超晶格引入范例來設計大量的光激發帶結構和光電子現象

摩爾超晶格的制造和可視化

自上而下的方法：制備高質量雙層摩爾超晶格的一種自上而下的方法是“撕裂堆疊”技術。該技術基于確定性的提取和轉移，包括選擇性提取2D材料的一部分，然后將其轉移到剩余部分，該部分已通過用戶設計的角度旋轉。

自下而上的方法：開發用于合成大規模和均勻摩爾超晶格的直接生長方法對于未來的技術應用非常重要。一種有效的自下而上方法是vdW外延。例如石墨烯/ h-BN，WS₂/WSe₂和MoS₂/WSe₂。打破能量趨勢，實現扭轉角可控、逐層外延的摩爾超晶格的可擴展制備，將極大地推動該領域的進展。

摩爾超晶格的可視化

摩爾超晶格的直接可視化對于全面理解和控制摩爾超晶格具有根本價值。原則上，原子分辨率技術，如掃描隧道顯微鏡（STM）和透射電子顯微鏡（TEM），提供了直接成像各種摩爾超晶格的機會。由于疇壁處的對稱性被破壞和相當大的應變梯度，摩爾超晶格可以顯示非消失的機電響應，因此可以通過壓電響應力顯微鏡（PFM）成像。

此外，摩爾超晶格還可以通過導電原子力顯微鏡（AFM），掃描近場光學顯微鏡（SNOM），掃描微波阻抗顯微鏡（sMIM），掃描開爾文探針顯微鏡（SKPM）和高光譜拉曼成像進行可視化。

圖3.?摩爾激子和三重子

圖4.?共振雜化激子和摩爾紋極化子

圖5.?摩爾相關狀態的光子學和重構的摩爾超晶格

圖6. 摩爾光電子學

目前，所有的摩爾光子學和光電子學的測量都是在遠場極限下收集了超過10000個摩爾晶格的信號進行的。因此，開發能夠同時探測單個摩爾超晶格中的光子和光電特性并評估摩爾的先進技術對于推進理解將是有價值的。同時，目前對摩爾光子學和光電子學的研究工作主要集中在扭曲石墨烯和扭曲過渡金屬硫族化合物上。探索新的摩爾系統，如由二維鐵電、磁或多鐵晶體組成的摩爾超晶格，以及涉及兩個或多個單摩爾紋超晶格的摩爾器件，將激發摩爾光子學和光電子學的研究方向。此外，通過外部手段（例如，電場或磁場，應變和超快光學激發）設計摩爾光子學和光電子學，有可能引發技術創新（例如量子非線性光學，超緊湊光調制器和太赫茲單光子器件）的下一次“淘金熱”。

探索摩爾光子學和光電子學的道路，還會有更多的驚喜發生！

杜羅軍，中國人民大學-中科院物理所聯合培養博士，芬蘭阿爾托大學博士后。入選中科院“引進國外杰出人才（I類）”，主持和參與的科研項目包括：科技部國家重點研發計劃（2000萬）、歐盟量子旗艦計劃（300萬歐）、歐盟ERC（240萬歐）、芬蘭科學院基金（39萬歐）等。

在低維量子材料對稱性破缺光電子學領域已發表論文43篇，其中第一和通訊作者文章22篇，包括Nat. Rev. Phys. 1篇、Nat. Commun. 3篇、以及Phys. Rev.系列10篇等。擔任SCI雜志Symmetry的客座編輯，以及Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B, Nat. Commun.等期刊的審稿人。

來源：

http://nano.iphy.ac.cn/n07/members.html

張廣宇，中科院物理所博士、斯坦福大學博士后，現任中科院物理所納米物理與器件實驗室主任、松山湖材料實驗室副主任。曾入選國家高層次人才特殊支持計劃青年拔尖人才、國家杰出青年基金、萬人計劃科技創新領軍人才、中科院引進國外杰出人才、科技部中青年領軍人才；獲北京市科技獎一等獎、中科院青年科學家獎、中科院杰出科技成就獎、胡剛復物理獎；主持科技部國家重點研發計劃項目、基金委重大項目、中科院先導B類等多項科研項目。

在納米物理與器件領域有20多年經驗積累，發表論文180余篇（Science和Nature系列刊物論文28篇），總引17000余次，單篇最高引用2000余次，H指數58，入選2021年愛思唯爾高被引學者；現任 Nano Res., npj 2D Mat. Appl.等期刊的編委。

來源：

http://nano.iphy.ac.cn/n07/members.html

孫志培，?芬蘭阿爾托大學教授。2005年于中國科學院物理研究所獲博士學位；2013年加入芬蘭阿爾托大學電子工程學院; 榮獲歐洲居里學者(MSCA Research Fellow, 2014), 芬蘭科學院研究員(Academy Research Fellow, 2014), 歐洲量子旗艦計劃 (S2QUIP,2018), 芬蘭科學院量子技術卓越研究中心(2018)和歐洲研究理事會高級基金 (ERC Advanced grant,2019)等項目支持;入選美國光學學會會士 (OSA, Fellow)。

擔任 Nature、Nature Photonics, Photonics Research等刊物的審稿人;共發表文章170余篇，總被引24000余次，H-index為57（Google Scholar）。

來源：

https://www.sohu.com/a/421318466_739961

Luojun Du*, Maciej R. Molas, Zhiheng Huang, Guangyu Zhang*, Feng Wang, Zhipei Sun*, Moiré photonics and optoelectronics,? Science,?2023,

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0014