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里德伯激子是里德伯原子的固态对应物，在利用其量子应用潜力方面引起了人们相当大的兴趣。

但实现它们的空间限制和操纵是一个重大挑战。最近，具有高度可调谐周期势的二维莫尔维尔超晶格的兴起，提供了一种可能的途径。

在此，来自武汉大学的袁声军&中国科学院物理研究所的许杨等研究者通过里德堡(里德堡)莫尔激子(X_RM)的光谱实验证明了这种能力，而这些激子是在与扭曲双层石墨烯相邻的单层半导体二硒化钨中莫尔捕获的里德堡激子。

相关论文以题为“Observation of Rydberg moiré excitons”于2023年06月29日发表在Science上。

物质的里德堡态，在各种物理平台上广泛存在，从原子到分子再到固体。它们共享共同特征，如波尔对高度激发的氢原子的描述。里德堡态波函数的大空间范围促进了大偶极矩，并显著增强了对弱外场的敏感性。

在过去的20年里，由于冷原子的捕获和操纵方面的实验发展，使得研究量子多体物理和量子信息处理变得更加容易，因此里德堡原子引起了更多的关注。

同样地，随着半导体中电子-空穴对的高阶库仑束缚态的出现，也提出了将里德堡激子作为潜在应用的可能性，例如模拟拓扑Haldane相和实现量子优化算法。它们的固态性质使其与现代半导体技术兼容。

然而，对于里德堡激子的大规模材料中的空间捕获控制可能是困难的。在这项工作中，研究者使用了具有强烈光-物质相互作用的二维(2D)半导体单层(特别是WSe₂)，它支持高阶激子里德堡态。

近年来，利用环境敏感的里德堡激子，在原子薄半导体中的高阶激子里德堡态，来探测附近的异构电子态和相变的技术已得到应用。在该实验中，研究者在单层WSe₂(上层，图1)下方放置了二维莫尔条纹[尤其是扭曲双层石墨烯(TBG)；图1中的下层]以提供空间周期调制。

当由TBG创建的势阱的波长λ小于(或仅可比)激子的尺寸r_B [~7 nm]时，Wannier型激子的波包会在几个莫尔晶胞上散布，并不会失去其移动性，如图1左侧所示。该系统的光学响应主要由里德堡传感方案主导。

图1. 里德堡激子(尺寸r_B)与具有小周期性(波长λ)和大周期性(波长λ)的TBG莫尔超晶格之间相互作用的示意图

在这里，研究者通过里德堡莫尔激子的光谱证据，在邻近扭曲双层石墨烯的单层半导体钨二硫化物中进行了实验验证。在强耦合模式下，X_RM表现为反射光谱中的多个能级分裂、明显的红移和窄线宽，突显了它们的电荷转移特性，其中通过强烈的非对称介面库仑相互作用强制执行电子-空穴分离。该发现发现确立了激子里德伯态作为量子技术开发的候选者。

图2. 10°和1.14°TBG 附近 WSe₂的里德堡传感

图3. 0.6°TBG 附近 WSe₂中里德堡云纹激子的形成

图4. 扭角依赖和交叉到强耦合状态

综上所述，研究者发展并通过实验验证了一种使用长波长莫尔势空间限制和操纵里德堡激子的方法。强束缚的X_RM复合物，可以被介面相互作用主导，接近基态激子的能级。

该系统可以通过静电掺杂轻松访问控制势阱深度，通过扭转角度调节莫尔波长，并通过电子-空穴分离实现更长的寿命保证。所有这些特征都有助于进一步实现激子态里德堡-里德堡相互作用和相干控制。

该研究可能为基于固体系统中多功能的里德堡态实现量子信息处理和量子模拟开辟前所未有的机会。

作者简介

袁声军，教授，博士生导师，男，1979年4月出生。2001年本科毕业于浙江大学物理系，2003年获得德国锡根大学理论物理硕士学位，2008年获得荷兰格罗宁根大学计算物理博士学位。自2016年12月担任武汉大学物理与科学技术学院教授，目前兼任武汉大学量子物质能量转换协同创新中心理论部主任，武汉大学理论物理中心副主任，荷兰奈梅亨大学和北京计算科学研究中心客座教授，武汉量子技术学院兼职研究员，湖北省青年科协副理事长。

主要的研究领域为计算物理学和凝聚态理论，包括发展针对复杂量子体系的大尺度模拟方法，发展针对量子多体问题的计算方法，低维量子体系的电学、光学、输运和等离基元性质，通用与专用量子计算机模拟，强关联自旋系统的弛豫和退相干等等。先后主持国家自然科学基金面上项目3项，理论物理专款项目1项，参与国家重点研发计划专项1项。

已在Nature、Science、Nature子刊、Phys. Rev. X、Phys. Rev. Lett.、ACS Nano等国际期刊发表学术论文一百余篇，其中第一或通讯作者70余篇，Phys. Rev.系列60余篇。在国内外学术会议上做邀请报告20多次，受邀为Nature、Nature Materials、Nature Physics、 Nature Photonics、Phys. Rev. Lett.等二十多个期刊的审稿人。

袁声军教授课题组常年招收本科生、研究生和博士后，目前的主要研究方向包括：（1）发展基于第一性原理的计算新方法；（2）发展量子体系的大尺度模拟新方法；（3）发展强关联多体系统的计算新方法；（4）通用与专用量子计算机的模拟方法；（5）机器学习与计算物理结合的新方法

许杨，2011年本科毕业于中国科学技术大学，2018年取得美国普渡大学（Purdue University）物理学博士学位，2018年6月至2020年11月在美国康奈尔大学（Cornell University）从事博士后研究。2020年12月加入中科院物理研究所，任特聘研究员，博士生导师。2021年担任科技部重点研发计划（青年项目）首席科学家。2023年起任纳米物理与器件实验室N08课题组“低维电子系统”组长。

主要研究方向：

关注低维电子体系中的新奇物性，研究内容涵盖：拓扑量子材料的电学输运性质；二维转角moiré超晶格结构中的强关联效应；光学方法（如反射谱、荧光、磁光、拉曼等等）探测低维材料光学性质及相变；低温强磁场等极端条件下的物理性质。

过去的主要工作及获得的成果：

研究工作多次发表在国际知名杂志期刊，其中包括Nature (2)，Science，Nature Materials (4)，Nature Nanotechnology (3)，Nature Physics，PRX/PRL (3)，Nature Communications (2)，Science Advances等。相关成果多次被ScienceDaily、PhysicsToday等新闻媒体报道。
代表性工作有：

在拓扑材料的量子输运方面：首次实现体态几乎完全绝缘的三维拓扑绝缘体（基于BiSbTeSe₂）样品器件，并证实其表面态占优的导电特性可以持续到室温的条件下。同时首次在三维拓扑绝缘体中观测到由表面态产生的“半整数”量子霍尔效应，从输运的角度证实了其每个表面态具有单简并狄拉克锥的能带结构。具体内容参见Nature Physics 10, 956 (2014)。实现对三维拓扑绝缘体薄膜样品两个表面态的独立调控；并在较薄样品观测到两个表面态的耦合作用，和在平行场下巨大的负磁阻效应。详细内容参见Nature Communications 7, 11434 (2016)和 PRL 123, 207701 (2019)。

在moiré超晶格系统及光学测量方面：通过二维单层TMD材料中激子对周围电介质介电屏蔽敏感的特性，设计了一种用光学探测二维材料（如graphene或moiré超晶格体系等等）由态密度改变引起的介电常数变化的方法：“里德堡激子探测”。具体内容参见在Nature 587, 214 (2020)和Nature Materials 20, 645 (2021)。观测到WSe₂/WS₂ moiré超晶格系统中丰富的在分数填充（1/4，1/2，1/3，2/5等等）的强关联绝缘态，并提出对应的电子晶体排布结构，指出1/2和2/5等态自发性地破坏了晶格的旋转对称性，属于新型条状物态（stripe phase）。同时指出这些分数填充态有关于1/2态的对称性（如1/4与3/4，2/5与3/5等等）以及对称性被破坏的机理。相关文章发表在Nature 587, 214 (2020)。首次构建转角双层二维铁磁材料系统（基于CrI₃），实现铁磁-反铁磁共存的磁性基态，可能与形成摩尔周期性的磁畴有关。详细内容见Nature Nanotechnology (2021)。

文献信息

Qianying Hu et al., Observation of Rydberg moiré excitons. Science380,1367-1372(2023). DOI:10.1126/science.adh1506

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh1506

http://edu.iphy.ac.cn/moreintro.php?id=4395

https://physics.whu.edu.cn/info/1178/5238.htm

原创文章，作者：计算搬砖工程师，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/03/01/bb36a407af/

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