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研究背景

相關系統是指其中的粒子之間存在相互作用，導致它們的行為不再能夠簡單地用單個粒子的理論來描述。這種復雜性使得相關系統具有許多新奇的特性和潛在的應用，超越了傳統單粒子框架的范疇。

在這個領域，激子相關系統引起了科學家們的極大興趣。激子是一對電子和空穴的束縛態，它們通過庫侖相互作用結合在一起。在二維半導體中，激子具有獨特的性質，如強烈的光-物質相互作用和谷極化效應，使其成為研究的熱點。

然而，盡管已經在電子系統中觀察到了各種磁性有序和相關相，如超導性和分數量子反常霍爾態，但在激子相關系統中，相關相仍然相對未知。之前的研究主要集中在電子相關性上，而激子相關相的探索相對較少。

成果簡介

為了解決這一問題，加利福尼亞大學圣芭芭拉分校Chenhao Jin（金辰皓）等人選擇了WSe₂/WS₂莫爾反射超晶格作為研究對象，利用其中的激子來探索激子相關性。通過使用泵浦-探測光譜技術，他們成功地觀察到了層間激子“自旋”序的有趣相圖，并且能夠直接創建和探測系統的低能自旋激發。相關研究在“Nature Communications”期刊上發表了題為“Tunable exciton valley-pseudospin orders in moiré superlattices”的最新論文。通過探索激子相關系統的性質，我們可以更好地理解并利用其在光子學和谷電子學中的潛在應用。此外，這項研究也為開發新型量子器件和實現量子信息處理提供了新的思路和方法。

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研究亮點

1. 探索相關激子的相關相：通過研究WSe2/WS2莫爾反射超晶格中的相關激子，揭示了激子在相關相中的行為，這是對相關量子物質的重要拓展。

2.發現可調諧的激子“自旋”序：在研究中發現了在激子填充 vex = 1 處出現了一個可調諧的激子“自旋”序，這為操控和利用激子的自旋提供了新的可能性。

3. 建立了激 “自旋”序的相圖：通過實驗觀察到的相圖，揭示了不同激子填充和外加磁場對激子“自旋”序的影響，這為進一步研究和工程應用提供了理論基礎。

4. 利用泵浦-探測光譜技術研究激子“自旋”序：采用泵浦-探測光譜技術，成功地研究了激子“自旋”序的低能激發，這為研究相關量子系統提供了一種有效的方法

5. 利用光學選擇規則實現自旋分辨檢測：通過利用過渡金屬二硫化物的光學選擇規則，成功實現了對激子自旋的分辨檢測，為對激子行為的深入理解提供了重要手段。

圖文解讀

圖1：自旋-1/2 Bose–Hubbard 模型。

圖2. 基于站點的自旋相關激子相互作用。

圖3. 從廣義螺旋度 (GH) 獲得激子自旋序的證據。

圖4：利用磁場和激子填充調節的激子自旋序。

圖5：激子自旋序的相圖。

研究結論

本研究通過觀察激子在WSe2/WS2莫爾反射超晶格中的行為，揭示了相關自旋玻色子系統中的相變機制和激子激發態的獨特行為。這為我們理解自旋玻色子系統中的相關相提供了新的實驗和理論基礎，并拓展了相關自旋玻色子的研究范圍。通過建立半導體莫爾反射超晶格為實現激子異相狀態的有趣平臺，我們不僅可以在光子學和量子信息科學領域探索新型器件概念，還可以利用激子的磁場和填充依賴性，實現類似于相變晶體管的光學門控制和高效光源調控。此外，我們的研究還揭示了兩成分 Bose–Hubbard模型可能支持更多異相序，如超固體等，為未來的理論研究和實驗設計提供了寶貴的參考。

文獻信息

Xiong, R., Brantly, S.L., Su, K. et al. Tunable exciton valley-pseudospin orders in moiré superlattices. Nat Commun 15, 4254 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48725-z

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