近日，Nature 旗下國際頂級光學(xué)期刊 Light-Science & Applications 在線發(fā)表了中南大學(xué)物理與電子學(xué)院劉艷平教授團隊基于范德華扭角同質(zhì)結(jié)WSe2/WSe2超晶格中莫爾激子光學(xué)特性的最新研究成果。該研究首次在扭角范德華同質(zhì)結(jié)WSe2/WSe2超晶格中觀察到了莫爾層內(nèi)激子，通過實驗驗證了莫爾超晶格中周期的莫爾勢能對激子態(tài)的捕獲作用，使得基于扭曲 過渡金屬二硫?qū)倩铮═MD） 材料的莫爾超晶格可以為探索強相關(guān)的新型量子現(xiàn)象提供新的維度，例如量子點發(fā)射陣列, 低能平帶, 常規(guī)超導(dǎo)和莫特絕緣態(tài)等。

該篇在線發(fā)表的論文題為“Evidence for Moiré Intralayer Excitons in Twisted WSe2/WSe2Homobilayer Superlattices”，中南大學(xué)為該論文的第一完成單位及通訊作者單位。文章的第一作者為中南大學(xué)2020級博士研究生吳彪，中南大學(xué)劉艷教授平為第一單位通訊作者，湖南大學(xué)潘安練教授為共同通訊作者。此次發(fā)表的論文是繼該團隊在國際著名學(xué)術(shù)期刊Chem. Soc. Rev、Nature Communications、Nano Letters、Nano-Micro Letters上基于二維材料激子光學(xué)特性的又一創(chuàng)新性成果。

范德華扭角同質(zhì)結(jié)WSe2/WSe2超晶格中莫爾激子的特性

二維材料莫爾超晶格為探索新的相關(guān)物理基礎(chǔ)開辟了新的機會，因為可以設(shè)計幾乎平坦的電子帶來增強電子-電子相關(guān)性的影響。這種現(xiàn)象首次在基于石墨烯的莫爾超晶格中觀察到，其中石墨烯莫爾系統(tǒng)顯示出相關(guān)的絕緣體狀態(tài)、拓?fù)湎嗪头浅Ｒ?guī)超導(dǎo)性已被報道。在基于石墨烯的莫爾超晶格的推動下，預(yù)計基于 TMD 的莫爾超晶格可能具有更平坦的微帶，從而改善長程庫侖相互作用的效果。與扭曲的雙層石墨烯相比，扁平帶僅出現(xiàn)在魔角，而扭曲的 TMD 雙層具有更寬的角度范圍，這使得它們在實驗上相對容易實現(xiàn)。另外，TMD材料大的自旋-軌道耦合為拓?fù)鋷Чこ毯妥孕?谷的光學(xué)控制提供了豐富的機會。因此，基于扭曲 TMD 材料的莫爾超晶格可以為探索強相關(guān)的新型量子現(xiàn)象提供新的維度，這種新策略將有望用于量子計算、量子通訊、新型超導(dǎo)體等領(lǐng)域。

莫爾超晶格充當(dāng)空間中的周期性限制勢來捕獲激子(IX)，從而產(chǎn)生莫爾激子陣列，這為量子發(fā)射器和多體物理學(xué)提供了機會。最近廣泛報道了在扭角的過渡金屬二硫?qū)倩?(TMD) 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中觀察到莫爾 IX。然而，基于TMD 扭曲同質(zhì)結(jié) (T-HB) 的莫爾層內(nèi)激子的捕獲和研究仍然面臨挑戰(zhàn)。劉艷平教授團隊通過測量小扭角WSe2/WSe2同質(zhì)結(jié)超晶格中的PL 光譜，成功觀察到了莫爾層內(nèi)激子。莫爾激子能量范圍為1.55～1.73 eV的多個分裂峰與單層WSe2激子峰不同，分裂峰是由通過莫爾電位捕獲層內(nèi)激子引起的。溫度、激光功率和谷極化的變化進一步證明了莫爾勢能對莫爾層內(nèi)激子的限制作用。這些發(fā)現(xiàn)為探索新的相關(guān)量子現(xiàn)象及其應(yīng)用提供了新途徑。

據(jù)悉，該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、湖南省重點研發(fā)計劃、湖南省杰出青年基金、湖南省芙蓉學(xué)者特聘教授基金、中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室自主研究課題和中南大學(xué)創(chuàng)新驅(qū)動青年團隊等項目基金的支持，并獲得中南大學(xué)高性能計算公共平臺在材料結(jié)構(gòu)計算等方面提供的有力支持。(來源：中南大學(xué)）