中科院物理所，2023年首篇Science！

当两个或多个周期性物质相互重叠时，就会形成摩尔纹（Moiré pattern）。生活中，当用手机拍摄电脑上的图案时，经常会出现电脑屏幕上本不存在的波纹，这就是摩尔纹。

生活中的摩尔纹

当然，这样的现象不仅出现在生活中，在普通的二维材料中也可以看到，并在量子材料系统中产生丰富的物理学现象。在过去的十年中，摩尔纹以前所未有的新现象和独特功能而引人注目，改变了基础固体物理学、材料科学和工程学的格局。

在凝聚态物理学中，摩尔纹（也称为摩尔超晶格）可以通过垂直堆叠两个或多个具有微小扭转角和/或轻微晶格不匹配的二维（2D）层状材料来形成。

在此，中科院物理所杜罗军特聘研究员和张广宇研究员，芬兰阿尔托大学欧洲科学院院士孙志培教授总结了摩尔纹二维材料的最新发展，作者重点介绍了新兴的摩尔光子学和光电子学的最新进展，包括但不限于摩尔激子、氘子和极化子，共振杂交激子等。

同时，还讨论了该领域的未来机遇和研究方向，例如开发先进技术来探测单个摩尔超晶格中的新兴光子学和光电子学，探索新的铁电、磁和多铁摩尔纹系统，并利用外部自由度设计摩尔纹属性，以实现潜在的技术创新。

相关文章以“Moiré photonics and optoelectronics”为题发表在Science。

二维（2D）层状材料开创了基础研究和技术创新的新时代，具有不同性质的二维原子层可以堆叠在一起形成范德华（vdW）异质结构，而不受传统异质结构中晶格匹配的限制。这使得有机会将不同成分的最佳特性结合在一个最终的合成量子材料中，从而实现许多以前不可能的电子，光子，磁性和拓扑功能。

结果显示，由于组成2D原子层之间的干涉，出现了几何摩尔纹超晶格，具有轻微的晶格失配/或小的旋转扭曲（图1A）。这种摩尔超晶格引入了新的长度和能量尺度，并为设计能带结构和新颖量子现象的光物质相互作用。

图1. 摩尔超晶格和摩尔物理学研究的关键发展的时间线

当摩尔超晶格遇到光时，它们为发现新兴光子和光电现象以及器件架构提供了一个强大的平台。使用摩尔超晶格提供的新自由度为设计激子带结构和光物质相互作用提供了可能性，适用于多种应用，例如多功能量子光源、新的量子多体物理学和长期寻求的玻色子晶体。事实上，在过去几年中，出现了丰富多样的新兴摩尔光子和光电特性，可能用于下一代非线性光子学和光电子学。

图2. 摩尔光子学和光电子学。基于摩尔超晶格引入范例来设计大量的光激发带结构和光电子现象

摩尔超晶格的制造和可视化

自上而下的方法：制备高质量双层摩尔超晶格的一种自上而下的方法是“撕裂堆叠”技术。该技术基于确定性的提取和转移，包括选择性提取2D材料的一部分，然后将其转移到剩余部分，该部分已通过用户设计的角度旋转。

自下而上的方法：开发用于合成大规模和均匀摩尔超晶格的直接生长方法对于未来的技术应用非常重要。一种有效的自下而上方法是vdW外延。例如石墨烯/ h-BN，WS₂/WSe₂和MoS₂/WSe₂。打破能量趋势，实现扭转角可控、逐层外延的摩尔超晶格的可扩展制备，将极大地推动该领域的进展。

摩尔超晶格的可视化

摩尔超晶格的直接可视化对于全面理解和控制摩尔超晶格具有根本价值。原则上，原子分辨率技术，如扫描隧道显微镜（STM）和透射电子显微镜（TEM），提供了直接成像各种摩尔超晶格的机会。由于畴壁处的对称性被破坏和相当大的应变梯度，摩尔超晶格可以显示非消失的机电响应，因此可以通过压电响应力显微镜（PFM）成像。

此外，摩尔超晶格还可以通过导电原子力显微镜（AFM），扫描近场光学显微镜（SNOM），扫描微波阻抗显微镜（sMIM），扫描开尔文探针显微镜（SKPM）和高光谱拉曼成像进行可视化。

图3. 摩尔激子和三重子

图4. 共振杂化激子和摩尔纹极化子

图5. 摩尔相关状态的光子学和重构的摩尔超晶格

图6. 摩尔光电子学

目前，所有的摩尔光子学和光电子学的测量都是在远场极限下收集了超过10000个摩尔晶格的信号进行的。因此，开发能够同时探测单个摩尔超晶格中的光子和光电特性并评估摩尔的先进技术对于推进理解将是有价值的。同时，目前对摩尔光子学和光电子学的研究工作主要集中在扭曲石墨烯和扭曲过渡金属硫族化合物上。探索新的摩尔系统，如由二维铁电、磁或多铁晶体组成的摩尔超晶格，以及涉及两个或多个单摩尔纹超晶格的摩尔器件，将激发摩尔光子学和光电子学的研究方向。此外，通过外部手段（例如，电场或磁场，应变和超快光学激发）设计摩尔光子学和光电子学，有可能引发技术创新（例如量子非线性光学，超紧凑光调制器和太赫兹单光子器件）的下一次“淘金热”。

探索摩尔光子学和光电子学的道路，还会有更多的惊喜发生！

杜罗军，中国人民大学-中科院物理所联合培养博士，芬兰阿尔托大学博士后。入选中科院“引进国外杰出人才（I类）”，主持和参与的科研项目包括：科技部国家重点研发计划（2000万）、欧盟量子旗舰计划（300万欧）、欧盟ERC（240万欧）、芬兰科学院基金（39万欧）等。

在低维量子材料对称性破缺光电子学领域已发表论文43篇，其中第一和通讯作者文章22篇，包括Nat. Rev. Phys. 1篇、Nat. Commun. 3篇、以及Phys. Rev.系列10篇等。担任SCI杂志Symmetry的客座编辑，以及Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B, Nat. Commun.等期刊的审稿人。

来源：

http://nano.iphy.ac.cn/n07/members.html

张广宇，中科院物理所博士、斯坦福大学博士后，现任中科院物理所纳米物理与器件实验室主任、松山湖材料实验室副主任。曾入选国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才、国家杰出青年基金、万人计划科技创新领军人才、中科院引进国外杰出人才、科技部中青年领军人才；获北京市科技奖一等奖、中科院青年科学家奖、中科院杰出科技成就奖、胡刚复物理奖；主持科技部国家重点研发计划项目、基金委重大项目、中科院先导B类等多项科研项目。

在纳米物理与器件领域有20多年经验积累，发表论文180余篇（Science和Nature系列刊物论文28篇），总引17000余次，单篇最高引用2000余次，H指数58，入选2021年爱思唯尔高被引学者；现任 Nano Res., npj 2D Mat. Appl.等期刊的编委。

来源：

http://nano.iphy.ac.cn/n07/members.html

孙志培， 芬兰阿尔托大学教授。2005年于中国科学院物理研究所获博士学位；2013年加入芬兰阿尔托大学电子工程学院; 荣获欧洲居里学者(MSCA Research Fellow, 2014), 芬兰科学院研究员(Academy Research Fellow, 2014), 欧洲量子旗舰计划 (S2QUIP,2018), 芬兰科学院量子技术卓越研究中心(2018)和欧洲研究理事会高级基金 (ERC Advanced grant,2019)等项目支持;入选美国光学学会会士 (OSA, Fellow)。

担任 Nature、Nature Photonics, Photonics Research等刊物的审稿人;共发表文章170余篇，总被引24000余次，H-index为57（Google Scholar）。

来源：

https://www.sohu.com/a/421318466_739961

Luojun Du*, Maciej R. Molas, Zhiheng Huang, Guangyu Zhang*, Feng Wang, Zhipei Sun*, Moiré photonics and optoelectronics,  Science, 2023,

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0014