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強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合!中科院物理所&武漢大學(xué),最新Science!

里德伯激子是里德伯原子的固態(tài)對(duì)應(yīng)物,在利用其量子應(yīng)用潛力方面引起了人們相當(dāng)大的興趣。
但實(shí)現(xiàn)它們的空間限制和操縱是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。最近,具有高度可調(diào)諧周期勢(shì)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(lái)自武漢大學(xué)的袁聲軍&中國(guó)科學(xué)院物理研究所許楊等研究者通過(guò)里德堡(里德堡)莫爾激子(XRM)的光譜實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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。
強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合!中科院物理所&武漢大學(xué),最新Science!
物質(zhì)的里德堡態(tài),在各種物理平臺(tái)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(duì)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(jìn)了大偶極矩,并顯著增強(qiáng)了對(duì)弱外場(chǎng)的敏感性。
在過(guò)去的20年里,由于冷原子的捕獲和操縱方面的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體中電子-空穴對(duì)的高階庫(kù)侖束縛態(tài)的出現(xiàn),也提出了將里德堡激子作為潛在應(yīng)用的可能性,例如模擬拓?fù)銱aldane相和實(shí)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(dǎo)體技術(shù)兼容。
然而,對(duì)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(xiàng)工作中,研究者使用了具有強(qiáng)烈光-物質(zhì)相互作用的二維(2D)半導(dǎo)體單層(特別是WSe2),它支持高階激子里德堡態(tài)。
近年來(lái),利用環(huán)境敏感的里德堡激子,在原子薄半導(dǎo)體中的高階激子里德堡態(tài),來(lái)探測(cè)附近的異構(gòu)電子態(tài)和相變的技術(shù)已得到應(yīng)用。在該實(shí)驗(yàn)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(dāng)由TBG創(chuàng)建的勢(shì)阱的波長(zhǎng)λ小于(或僅可比)激子的尺寸rB [~7 nm]時(shí),Wannier型激子的波包會(huì)在幾個(gè)莫爾晶胞上散布,并不會(huì)失去其移動(dòng)性,如圖1左側(cè)所示。該系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)主要由里德堡傳感方案主導(dǎo)。
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圖1. 里德堡激子(尺寸rB)與具有小周期性(波長(zhǎng)λ)和大周期性(波長(zhǎng)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(guò)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(dǎo)體鎢二硫化物中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在強(qiáng)耦合模式下,XRM表現(xiàn)為反射光譜中的多個(gè)能級(jí)分裂明顯的紅移窄線寬,突顯了它們的電荷轉(zhuǎn)移特性,其中通過(guò)強(qiáng)烈的非對(duì)稱介面庫(kù)侖相互作用強(qiáng)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。
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圖2. 10°和1.14°TBG 附近 WSe2的里德堡傳感
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圖3. 0.6°TBG 附近 WSe2中 里德堡 云紋激子的形成
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圖4. 扭角依賴和交叉到強(qiáng)耦合狀態(tài)
綜上所述,研究者發(fā)展并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種使用長(zhǎng)波長(zhǎng)莫爾勢(shì)空間限制和操縱里德堡激子的方法。強(qiáng)束縛的XRM復(fù)合物,可以被介面相互作用主導(dǎo),接近基態(tài)激子的能級(jí)。
該系統(tǒng)可以通過(guò)靜電摻雜輕松訪問(wèn)控制勢(shì)阱深度,通過(guò)扭轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)莫爾波長(zhǎng),并通過(guò)電子-空穴分離實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的壽命保證。所有這些特征都有助于進(jìn)一步實(shí)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(shí)現(xiàn)量子信息處理和量子模擬開辟前所未有的機(jī)會(huì)。
作者簡(jiǎn)介
袁聲軍,教授,博士生導(dǎo)師,男,1979年4月出生。2001年本科畢業(yè)于浙江大學(xué)物理系,2003年獲得德國(guó)錫根大學(xué)理論物理碩士學(xué)位,2008年獲得荷蘭格羅寧根大學(xué)計(jì)算物理博士學(xué)位。自2016年12月?lián)挝錆h大學(xué)物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授,目前兼任武漢大學(xué)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(xué)理論物理中心副主任,荷蘭奈梅亨大學(xué)和北京計(jì)算科學(xué)研究中心客座教授,武漢量子技術(shù)學(xué)院兼職研究員,湖北省青年科協(xié)副理事長(zhǎng)。
主要的研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算物理學(xué)和凝聚態(tài)理論,包括發(fā)展針對(duì)復(fù)雜量子體系的大尺度模擬方法,發(fā)展針對(duì)量子多體問(wèn)題的計(jì)算方法,低維量子體系的電學(xué)、光學(xué)、輸運(yùn)和等離基元性質(zhì),通用與專用量子計(jì)算機(jī)模擬,強(qiáng)關(guān)聯(lián)自旋系統(tǒng)的弛豫和退相干等等。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目3項(xiàng),理論物理專款項(xiàng)目1項(xiàng),參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)1項(xiàng)。
已在Nature、Science、Nature子刊、Phys. Rev. X、Phys. Rev. Lett.、ACS Nano等國(guó)際期刊發(fā)表學(xué)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(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議上做邀請(qǐng)報(bào)告20多次,受邀為Nature、Nature Materials、Nature Physics、 Nature Photonics、Phys. Rev. Lett.等二十多個(gè)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(jì)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(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)的計(jì)算新方法;(4)通用與專用量子計(jì)算機(jī)的模擬方法;(5)機(jī)器學(xué)習(xí)與計(jì)算物理結(jié)合的新方法
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許楊,2011年本科畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2018年取得美國(guó)普渡大學(xué)(Purdue University)物理學(xué)博士學(xué)位,2018年6月至2020年11月在美國(guó)康奈爾大學(xué)(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(dǎo)師。2021年擔(dān)任科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(青年項(xiàng)目)首席科學(xué)家。2023年起任納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室N08課題組“低維電子系統(tǒng)”組長(zhǎng)。
主要研究方向:
關(guān)注低維電子體系中的新奇物性,研究?jī)?nèi)容涵蓋:拓?fù)淞孔硬牧系碾妼W(xué)輸運(yùn)性質(zhì);二維轉(zhuǎn)角moiré超晶格結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng);光學(xué)方法(如反射譜、熒光、磁光、拉曼等等)探測(cè)低維材料光學(xué)性質(zhì)及相變;低溫強(qiáng)磁場(chǎng)等極端條件下的物理性質(zhì)。
過(guò)去的主要工作及獲得的成果:
研究工作多次發(fā)表在國(guó)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(bào)道。
代表性工作有:
在拓?fù)洳牧系牧孔虞斶\(yùn)方面:首次實(shí)現(xiàn)體態(tài)幾乎完全絕緣的三維拓?fù)浣^緣體(基于BiSbTeSe2)樣品器件,并證實(shí)其表面態(tài)占優(yōu)的導(dǎo)電特性可以持續(xù)到室溫的條件下。同時(shí)首次在三維拓?fù)浣^緣體中觀測(cè)到由表面態(tài)產(chǎn)生的“半整數(shù)”量子霍爾效應(yīng),從輸運(yùn)的角度證實(shí)了其每個(gè)表面態(tài)具有單簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)三維拓?fù)浣^緣體薄膜樣品兩個(gè)表面態(tài)的獨(dú)立調(diào)控;并在較薄樣品觀測(cè)到兩個(gè)表面態(tài)的耦合作用,和在平行場(chǎng)下巨大的負(fù)磁阻效應(yīng)。詳細(xì)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(xué)測(cè)量方面:通過(guò)二維單層TMD材料中激子對(duì)周圍電介質(zhì)介電屏蔽敏感的特性,設(shè)計(jì)了一種用光學(xué)探測(cè)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(cè)”。具體內(nèi)容參見在Nature?587,?214?(2020)Nature Materials?20, 645 (2021)。觀測(cè)到WSe2/WS2?moiré超晶格系統(tǒng)中豐富的在分?jǐn)?shù)填充(1/4,1/2,1/3,2/5等等)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)絕緣態(tài),并提出對(duì)應(yīng)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(duì)稱性,屬于新型條狀物態(tài)(stripe phase)。同時(shí)指出這些分?jǐn)?shù)填充態(tài)有關(guān)于1/2態(tài)的對(duì)稱性(如1/4與3/4,2/5與3/5等等)以及對(duì)稱性被破壞的機(jī)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(shí)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(xì)內(nèi)容見Nature Nanotechnology?(2021)
文獻(xiàn)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

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