在這篇文章中，我將向你介紹一種新的量子物質，它是由我國的一組研究人員發現的，目前論文已經發表在《科學》雜志上。它們被稱為里德伯莫爾(Rydberg moiré)激子，它們是在單層半導體 WSe?與扭轉雙層石墨烯相鄰處形成的 moiré 陷阱 Rydberg 激子。

什么是Rydberg激子

首先，我們先了解一下什么是激子。激子是半導體中電子和空穴的束縛態。空穴是價帶中缺失的電子，它表現為一個正電荷。當導帶中的電子與空穴復合時，它會發射一個光子，這是LED和激光器中發光的基本機制。

激子有一個有限的大小，它取決于電子和空穴的有效質量，以及它們之間的庫侖吸引力的強度。激子的大小可以用波爾半徑公式來估計：a=?2ε/μe2 。其中?是約化普朗克常數， ε是材料的介電常數， μ是電子-空穴對的約化質量。

WSe?中的激子的波爾半徑約為 1 nm，比晶格常數0.33 nm 大得多。這意味著激子波函數延伸到幾個晶胞之外，激子表現為固體中類氫原子。

現在，如果我們將電子激發到更高的能級，留下一個在較低能級的空穴，會發生什么呢？我們得到了一個Rydberg 激子，它是一個具有較大主量子數 n 的激子。Rydberg 激子比基態激子有更大的大小，按 n2 比例增加。例如，具有 n=10 的Rydberg激子有約100nm 的大小，與可見光的波長相當。

Rydberg 激子有一些引人注目的特性，使它們適合用于量子應用。例如，它們具有較大的偶極矩，增強了它們與電場和其他偶極矩的相互作用。它們也具有較長的壽命，可以存儲量子信息更長時間。此外，它們還表現出量子干涉效應，如Fano共振和電磁誘導透明。

什么是moiré超晶格

接下來，讓我向你介紹另一種迷人的現象，當我們用一個小扭轉角堆疊兩層原子時會發生什么。我們得到了一個moiré超晶格，它是由于兩個晶格之間的干涉而產生的原子勢能的周期性調制。moiré 超晶格比原始晶格有更大的周期，按1/θ比例增加，其中θ是扭轉角。

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moiré超晶格已經在各種二維材料中實現，如石墨烯、過渡金屬二硫化物以及它們的異質結。它們通過改變扭轉角、層間間距和外場，提供了這些材料的電子、光學和磁性質的前所未有的可調性。

moiré超晶格的最顯著的例子之一是扭轉雙層石墨烯（TBG），它由兩層石墨烯組成，相對于彼此旋轉了一個小角度。當扭轉角接近1.1度的魔角時，TBG 成為一個強關聯系統，表現出超導性、磁性和奇異的物態。

什么是Rydberg moiré激子

現在我們準備將這兩個概念結合起來，看看當我們在moiré超晶格中創建 Rydberg激子時會發生什么。這就是我國的研究小組所做的，他們將 WSe? 的單層放置在 TBG 上，扭轉角約為1度。他們使用光學反射光譜來探測WSe?中的激子躍遷。

他們觀察到，當他們調節入射光的能量與WSe?的Rydberg態相匹配時，他們在反射光譜中看到了多個能量分裂，明顯的紅移和線寬變窄。這些特征表明 Rydberg 激子被TBG的moiré勢阱捕獲，形成Rydberg moiré激子 (XRM )。

XRM是明亮和暗Rydberg激子的混合態，其中明亮激子具有較大的振子強度，可以與光耦合，而暗激子具有較小的振子強度，是光學禁戒的。混合是由moiré勢使能的，它打破了系統的對稱性，并混合了明亮和暗態。

XRM具有強烈的電荷轉移特性，意味著電子和空穴被層間庫侖相互作用強制分離。電子局域在WSe?層中，而空穴在TBG層中非局域化。這導致了一個較大的電偶極矩，可以通過磁場控制。

展望Rydberg moiré 激子

XRM的觀察為基于 Rydberg 態在固體中探索新物理和應用開辟了一個新的量子樂園。例如，可以想象使用XRM作為量子信息處理的量子比特，因為它們具有較長的相干時間和較大的偶極-偶極相互作用。也可以想象用電場和磁場操縱XRM，創建人工規范場和拓撲相。此外，還可以研究XRM的多體效應和相關性，如集體振蕩和超流性。

XRM也是一種獨特的平臺，用于研究moiré超晶格和Rydberg態之間的相互作用，可能揭示一些在單個系統中不存在的新現象和機制。例如，可以探索moiré勢如何影響Rydberg譜、Fano共振和Stark效應。也可以研究 Rydberg態如何影響 TBG 的電子性質，如超導性、磁性和谷極化。

總之，Rydberg moiré 激子是一種新的量子物質，結合了Rydberg激子和 moiré超晶格的特征。它們為基于二維材料發現新物理和開發新技術提供了豐富的機會。