我国科学家发现了里德伯莫尔激子

在这篇文章中，我将向你介绍一种新的量子物质，它是由我国的一组研究人员发现的，目前论文已经发表在《科学》杂志上。它们被称为里德伯莫尔(Rydberg moiré)激子，它们是在单层半导体 WSe₂与扭转双层石墨烯相邻处形成的 moiré 陷阱 Rydberg 激子。

什么是Rydberg激子

首先，我们先了解一下什么是激子。激子是半导体中电子和空穴的束缚态。空穴是价带中缺失的电子，它表现为一个正电荷。当导带中的电子与空穴复合时，它会发射一个光子，这是LED和激光器中发光的基本机制。

激子有一个有限的大小，它取决于电子和空穴的有效质量，以及它们之间的库仑吸引力的强度。激子的大小可以用波尔半径公式来估计：a=ℏ²ε/μe² 。其中ℏ是约化普朗克常数， ε是材料的介电常数， μ是电子-空穴对的约化质量。

WSe₂中的激子的波尔半径约为 1 nm，比晶格常数0.33 nm 大得多。这意味着激子波函数延伸到几个晶胞之外，激子表现为固体中类氢原子。

现在，如果我们将电子激发到更高的能级，留下一个在较低能级的空穴，会发生什么呢？我们得到了一个Rydberg 激子，它是一个具有较大主量子数 n 的激子。Rydberg 激子比基态激子有更大的大小，按 n² 比例增加。例如，具有 n=10 的Rydberg激子有约100nm 的大小，与可见光的波长相当。

Rydberg 激子有一些引人注目的特性，使它们适合用于量子应用。例如，它们具有较大的偶极矩，增强了它们与电场和其他偶极矩的相互作用。它们也具有较长的寿命，可以存储量子信息更长时间。此外，它们还表现出量子干涉效应，如Fano共振和电磁诱导透明。

什么是moiré超晶格

接下来，让我向你介绍另一种迷人的现象，当我们用一个小扭转角堆叠两层原子时会发生什么。我们得到了一个moiré超晶格，它是由于两个晶格之间的干涉而产生的原子势能的周期性调制。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是扭转角。

moiré超晶格已经在各种二维材料中实现，如石墨烯、过渡金属二硫化物以及它们的异质结。它们通过改变扭转角、层间间距和外场，提供了这些材料的电子、光学和磁性质的前所未有的可调性。

moiré超晶格的最显著的例子之一是扭转双层石墨烯（TBG），它由两层石墨烯组成，相对于彼此旋转了一个小角度。当扭转角接近1.1度的魔角时，TBG 成为一个强关联系统，表现出超导性、磁性和奇异的物态。

什么是Rydberg moiré激子

现在我们准备将这两个概念结合起来，看看当我们在moiré超晶格中创建 Rydberg激子时会发生什么。这就是我国的研究小组所做的，他们将 WSe₂ 的单层放置在 TBG 上，扭转角约为1度。他们使用光学反射光谱来探测WSe₂中的激子跃迁。

他们观察到，当他们调节入射光的能量与WSe₂的Rydberg态相匹配时，他们在反射光谱中看到了多个能量分裂，明显的红移和线宽变窄。这些特征表明 Rydberg 激子被TBG的moiré势阱捕获，形成Rydberg moiré激子 (XRM )。

XRM是明亮和暗Rydberg激子的混合态，其中明亮激子具有较大的振子强度，可以与光耦合，而暗激子具有较小的振子强度，是光学禁戒的。混合是由moiré势使能的，它打破了系统的对称性，并混合了明亮和暗态。

XRM具有强烈的电荷转移特性，意味着电子和空穴被层间库仑相互作用强制分离。电子局域在WSe₂层中，而空穴在TBG层中非局域化。这导致了一个较大的电偶极矩，可以通过磁场控制。

展望Rydberg moiré 激子

XRM的观察为基于 Rydberg 态在固体中探索新物理和应用开辟了一个新的量子乐园。例如，可以想象使用XRM作为量子信息处理的量子比特，因为它们具有较长的相干时间和较大的偶极-偶极相互作用。也可以想象用电场和磁场操纵XRM，创建人工规范场和拓扑相。此外，还可以研究XRM的多体效应和相关性，如集体振荡和超流性。

XRM也是一种独特的平台，用于研究moiré超晶格和Rydberg态之间的相互作用，可能揭示一些在单个系统中不存在的新现象和机制。例如，可以探索moiré势如何影响Rydberg谱、Fano共振和Stark效应。也可以研究 Rydberg态如何影响 TBG 的电子性质，如超导性、磁性和谷极化。

总之，Rydberg moiré 激子是一种新的量子物质，结合了Rydberg激子和 moiré超晶格的特征。它们为基于二维材料发现新物理和开发新技术提供了丰富的机会。