中新網(wǎng)北京7月1日電 (記者 孫自法)電影《綠巨人》假設(shè)人受到強(qiáng)力輻射后，誘發(fā)身體里的神秘力量，變?yōu)閾碛谐瑥?qiáng)力量的“綠巨人”。這種現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)的事情，在固體中卻可以通過(guò)構(gòu)造精妙的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。如何操縱激子“綠巨人”并完成實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，一直是物理學(xué)家關(guān)注且孜孜以求的目標(biāo)之一。

為量子科技等應(yīng)用提供一條潛在途徑

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院物理研究所(中科院物理所)的最新消息說(shuō)，該所納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室許楊團(tuán)隊(duì)與合作者在國(guó)際上首次完成對(duì)里德堡莫爾激子的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，系統(tǒng)展示對(duì)于里德堡激子的可控調(diào)節(jié)以及空間束縛，為實(shí)現(xiàn)基于固態(tài)體系中的里德堡態(tài)在量子科學(xué)和技術(shù)等方向上的應(yīng)用提供一條潛在的途徑。

(資料圖)

由中國(guó)科學(xué)家完成的這項(xiàng)重要物理基礎(chǔ)研究進(jìn)展論文，近日以“里德堡莫爾激子的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”為題在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上在線發(fā)表。

研究團(tuán)隊(duì)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(dāng)電子被激發(fā)到更外層的軌道上時(shí)，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(dǎo)體材料中由正電荷和負(fù)電荷相互吸引組成的粒子叫做激子，對(duì)應(yīng)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(qiáng)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(dǎo)體里自由移動(dòng)、能夠?qū)χ車h(huán)境的改變產(chǎn)生較大的響應(yīng)等。

20世紀(jì)50年代，科學(xué)家在半導(dǎo)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(duì)，即里德堡激子。盡管這樣的里德堡激子與現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)更加兼容，但在三維固體體系中，想通過(guò)操縱里德堡激子的去構(gòu)造穩(wěn)定的實(shí)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(dǎo)體材料中的里德堡激子，由于維度的降低和界面效應(yīng)的增強(qiáng)，為相關(guān)研究提供了新的方向。

發(fā)展一套光學(xué)“里德堡激子探測(cè)”方法

近幾年來(lái)，中科院物理所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室許楊特聘研究員與合作者發(fā)展了一套光學(xué)“里德堡激子探測(cè)”的方法，即利用二維半導(dǎo)體二硒化鎢的里德堡激子態(tài)對(duì)周圍環(huán)境介電屏蔽敏感的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)臨近二維體系中新奇電子態(tài)的有效探測(cè)。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(duì)里德堡激子進(jìn)行調(diào)控形成強(qiáng)耦合態(tài)以及實(shí)現(xiàn)空間囚禁成為迫切需要解決的問(wèn)題。

不過(guò)，一種在凝聚態(tài)物理領(lǐng)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(lái)了新的機(jī)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(dǎo)下，近兩年來(lái)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(guò)低溫微區(qū)反射光譜/光致發(fā)光光譜的方法對(duì)體系中的激子態(tài)進(jìn)行了測(cè)量和柵壓摻雜調(diào)控的研究。實(shí)驗(yàn)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(hào)由“里德堡激子探測(cè)”機(jī)制主導(dǎo)，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(cè)到一系列對(duì)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(shì)場(chǎng)

許楊團(tuán)隊(duì)通過(guò)與武漢大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)新發(fā)展的實(shí)空間大尺度計(jì)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(duì)這一實(shí)驗(yàn)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(shì)場(chǎng)類似于冷原子體系中的光晶格，為里德堡激子提供了一個(gè)高度可調(diào)的束縛勢(shì)場(chǎng)，并帶來(lái)電子-空穴嚴(yán)重不對(duì)稱的層間庫(kù)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(qiáng)度。這種耦合強(qiáng)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(tuán)隊(duì)表示，正如里德堡原子間可以具有較強(qiáng)的相互作用和對(duì)外場(chǎng)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(jì)算一樣，里德堡莫爾激子態(tài)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)展示了對(duì)于里德堡激子的可控調(diào)節(jié)以及空間束縛，可為實(shí)現(xiàn)基于固態(tài)體系中里德堡態(tài)在量子科學(xué)和技術(shù)等方向上的應(yīng)用提供一條潛在的途徑。(完)

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