在這篇文章中，我將向你介紹一種新的量子物質(zhì)，它是由我國的一組研究人員發(fā)現(xiàn)的，目前論文已經(jīng)發(fā)表在《科學(xué)》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(dǎo)體 WSe?與扭轉(zhuǎn)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(dǎo)體中電子和空穴的束縛態(tài)。空穴是價帶中缺失的電子，它表現(xiàn)為一個正電荷。當(dāng)導(dǎo)帶中的電子與空穴復(fù)合時，它會發(fā)射一個光子，這是LED和激光器中發(fā)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(zhì)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(shù)， ε是材料的介電常數(shù)， μ是電子-空穴對的約化質(zhì)量。

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

現(xiàn)在，如果我們將電子激發(fā)到更高的能級，留下一個在較低能級的空穴，會發(fā)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(shù) n 的激子。Rydberg 激子比基態(tài)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(dāng)。

Rydberg 激子有一些引人注目的特性，使它們適合用于量子應(yīng)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(xiàn)出量子干涉效應(yīng)，如Fano共振和電磁誘導(dǎo)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(xiàn)象，當(dāng)我們用一個小扭轉(zhuǎn)角堆疊兩層原子時會發(fā)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(chǎn)生的原子勢能的周期性調(diào)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(zhuǎn)角。

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moiré超晶格已經(jīng)在各種二維材料中實現(xiàn)，如石墨烯、過渡金屬二硫化物以及它們的異質(zhì)結(jié)。它們通過改變扭轉(zhuǎn)角、層間間距和外場，提供了這些材料的電子、光學(xué)和磁性質(zhì)的前所未有的可調(diào)性。

moiré超晶格的最顯著的例子之一是扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯（TBG），它由兩層石墨烯組成，相對于彼此旋轉(zhuǎn)了一個小角度。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角接近1.1度的魔角時，TBG 成為一個強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，表現(xiàn)出超導(dǎo)性、磁性和奇異的物態(tài)。

什么是Rydberg moiré激子

現(xiàn)在我們準(zhǔn)備將這兩個概念結(jié)合起來，看看當(dāng)我們在moiré超晶格中創(chuàng)建 Rydberg激子時會發(fā)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(zhuǎn)角約為1度。他們使用光學(xué)反射光譜來探測WSe?中的激子躍遷。

他們觀察到，當(dāng)他們調(diào)節(jié)入射光的能量與WSe?的Rydberg態(tài)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(tài)，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(xué)禁戒的。混合是由moiré勢使能的，它打破了系統(tǒng)的對稱性，并混合了明亮和暗態(tài)。

XRM具有強烈的電荷轉(zhuǎn)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(dǎo)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(tài)在固體中探索新物理和應(yīng)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(chuàng)建人工規(guī)范場和拓?fù)湎唷４送猓€可以研究XRM的多體效應(yīng)和相關(guān)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(tài)之間的相互作用，可能揭示一些在單個系統(tǒng)中不存在的新現(xiàn)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(yīng)。也可以研究 Rydberg態(tài)如何影響 TBG 的電子性質(zhì)，如超導(dǎo)性、磁性和谷極化。

總之，Rydberg moiré 激子是一種新的量子物質(zhì)，結(jié)合了Rydberg激子和 moiré超晶格的特征。它們?yōu)榛诙S材料發(fā)現(xiàn)新物理和開發(fā)新技術(shù)提供了豐富的機會。