本項研究成果藝術(shù)想像圖。 中科院物理所 供圖
(資料圖片僅供參考)
中新網(wǎng)北京7月1日電 (記者 孫自法)電影《綠巨人》假設人受到強力輻射后，誘發(fā)身體里的神秘力量，變?yōu)閾碛谐瑥娏α康摹熬G巨人”。這種現(xiàn)實中很難實現(xiàn)的事情，在固體中卻可以通過構(gòu)造精妙的材料來實現(xiàn)。如何操縱激子“綠巨人”并完成實驗觀測，一直是物理學家關(guān)注且孜孜以求的目標之一。
為量子科技等應用提供一條潛在途徑
里德堡激子與莫爾超晶格之間的相互作用示意圖。 中科院物理所 供圖
來自中國科學院物理研究所(中科院物理所)的最新消息說，該所納米物理與器件實驗室許楊團隊與合作者在國際上首次完成對里德堡莫爾激子的實驗觀測，系統(tǒng)展示對于里德堡激子的可控調(diào)節(jié)以及空間束縛，為實現(xiàn)基于固態(tài)體系中的里德堡態(tài)在量子科學和技術(shù)等方向上的應用提供一條潛在的途徑。
由中國科學家完成的這項重要物理基礎研究進展論文，近日以“里德堡莫爾激子的實驗發(fā)現(xiàn)”為題在國際著名學術(shù)期刊《科學》(Science)上在線發(fā)表。
研究團隊科普稱，原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本微觀粒子，原子的電子具有分層排布的特性，當電子被激發(fā)到更外層的軌道上時，形成的原子叫做里德堡原子。這種被激發(fā)的原子由于“體型”更為龐大，被形象地稱為原子界的“巨人”。半導體材料中由正電荷和負電荷相互吸引組成的粒子叫做激子，對應的，激子的激發(fā)態(tài)被稱為里德堡激子，同樣是激子界的巨人。像“綠巨人”有超強力量一樣，里德堡態(tài)的激子具有很多有意思的特性，比如可以在半導體里自由移動、能夠?qū)χ車h(huán)境的改變產(chǎn)生較大的響應等。
20世紀50年代，科學家在半導體材料氧化亞銅中首先發(fā)現(xiàn)一種處于激發(fā)態(tài)的電子-空穴對，即里德堡激子。盡管這樣的里德堡激子與現(xiàn)代半導體技術(shù)更加兼容，但在三維固體體系中，想通過操縱里德堡激子的去構(gòu)造穩(wěn)定的實用器件仍面臨激子態(tài)易缺失、調(diào)控參數(shù)少等諸多挑戰(zhàn)，而在二維半導體材料中的里德堡激子，由于維度的降低和界面效應的增強，為相關(guān)研究提供了新的方向。
發(fā)展一套光學“里德堡激子探測”方法
器件結(jié)構(gòu)以及與10度或1.14度轉(zhuǎn)角石墨烯相鄰的二硒化鎢的光學響應。 中科院物理所 供圖
與0.6度轉(zhuǎn)角石墨烯相鄰的二硒化鎢中的里德堡莫爾激子及其柵壓演化規(guī)律。 中科院物理所 供圖
近幾年來，中科院物理所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室許楊特聘研究員與合作者發(fā)展了一套光學“里德堡激子探測”的方法，即利用二維半導體二硒化鎢的里德堡激子態(tài)對周圍環(huán)境介電屏蔽敏感的特性，實現(xiàn)對臨近二維體系中新奇電子態(tài)的有效探測。然而在使用這種方法的體系中，里德堡激子態(tài)與周圍介電層的層間相互作用較弱，如何對里德堡激子進行調(diào)控形成強耦合態(tài)以及實現(xiàn)空間囚禁成為迫切需要解決的問題。
不過，一種在凝聚態(tài)物理領域的二維材料魔角旋轉(zhuǎn)方法，恰恰給操控里德堡激子態(tài)帶來了新的機遇。基于此，中科院物理所博士生胡倩穎在許楊特聘研究員指導下，近兩年來制備了單層二硒化鎢與轉(zhuǎn)角石墨烯形成的二維范德華異質(zhì)結(jié)器件樣品，并通過低溫微區(qū)反射光譜/光致發(fā)光光譜的方法對體系中的激子態(tài)進行了測量和柵壓摻雜調(diào)控的研究。實驗發(fā)現(xiàn)，在大角度轉(zhuǎn)角石墨烯和魔角石墨烯的樣品中，二硒化鎢的光譜信號由“里德堡激子探測”機制主導，主要反映體系中介電函數(shù)的變化，例如在魔角石墨烯的樣品中探測到一系列對稱性破缺的關(guān)聯(lián)電子物態(tài)，而在小角度的轉(zhuǎn)角石墨烯樣品中，里德堡激子態(tài)(尺寸約為7納米)隨柵壓調(diào)控表現(xiàn)出多重劈裂和顯著的紅移，被稱之為里德堡莫爾激子態(tài)。
為里德堡激子提供高度可調(diào)束縛勢場
里德堡莫爾激子態(tài)隨轉(zhuǎn)角的演化規(guī)律。 中科院物理所 供圖
許楊團隊通過與武漢大學研究團隊新發(fā)展的實空間大尺度計算物理方法相結(jié)合，他們發(fā)現(xiàn)莫爾超晶格中隨柵壓調(diào)節(jié)的空間電荷分布可能對這一實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生起到關(guān)鍵作用。在該體系中，轉(zhuǎn)角石墨烯中產(chǎn)生的周期性莫爾勢場類似于冷原子體系中的光晶格，為里德堡激子提供了一個高度可調(diào)的束縛勢場，并帶來電子-空穴嚴重不對稱的層間庫倫相互作用。
此外，他們還系統(tǒng)研究了體系中隨轉(zhuǎn)角(或莫爾周期)演化的層間耦合強度。這種耦合強度直接反映在里德堡莫爾激子在能量紅移的大小上，這些特征隨著莫爾周期的增大(轉(zhuǎn)角的減小)而變得更加顯著，與空間束縛的里德堡激子物理圖像一致。
研究團隊表示，正如里德堡原子間可以具有較強的相互作用和對外場的敏感性，它們形成的光懸浮陣列能夠被用于量子模擬和量子計算一樣，里德堡莫爾激子態(tài)的實驗發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)展示了對于里德堡激子的可控調(diào)節(jié)以及空間束縛，可為實現(xiàn)基于固態(tài)體系中里德堡態(tài)在量子科學和技術(shù)等方向上的應用提供一條潛在的途徑。(完)
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