如何操纵激子“绿巨人”？中国科学家在国际上首次完成实验观测

本项研究成果艺术想像图。　中科院物理所 供图

中新网北京7月1日电 (记者 孙自法)电影《绿巨人》假设人受到强力辐射后，诱发身体里的神秘力量，变为拥有超强力量的“绿巨人”。这种现实中很难实现的事情，在固体中却可以通过构造精妙的材料来实现。如何操纵激子“绿巨人”并完成实验观测，一直是物理学家关注且孜孜以求的目标之一。

为量子科技等应用提供一条潜在途径

里德堡激子与莫尔超晶格之间的相互作用示意图。　中科院物理所 供图

来自中国科学院物理研究所(中科院物理所)的最新消息说，该所纳米物理与器件实验室许杨团队与合作者在国际上首次完成对里德堡莫尔激子的实验观测，系统展示对于里德堡激子的可控调节以及空间束缚，为实现基于固态体系中的里德堡态在量子科学和技术等方向上的应用提供一条潜在的途径。

由中国科学家完成的这项重要物理基础研究进展论文，近日以“里德堡莫尔激子的实验发现”为题在国际著名学术期刊《科学》(Science)上在线发表。

研究团队科普称，原子是构成物质的基本微观粒子，原子的电子具有分层排布的特性，当电子被激发到更外层的轨道上时，形成的原子叫做里德堡原子。这种被激发的原子由于“体型”更为庞大，被形象地称为原子界的“巨人”。半导体材料中由正电荷和负电荷相互吸引组成的粒子叫做激子，对应的，激子的激发态被称为里德堡激子，同样是激子界的巨人。像“绿巨人”有超强力量一样，里德堡态的激子具有很多有意思的特性，比如可以在半导体里自由移动、能够对周围环境的改变产生较大的响应等。

20世纪50年代，科学家在半导体材料氧化亚铜中首先发现一种处于激发态的电子-空穴对，即里德堡激子。尽管这样的里德堡激子与现代半导体技术更加兼容，但在三维固体体系中，想通过操纵里德堡激子的去构造稳定的实用器件仍面临激子态易缺失、调控参数少等诸多挑战，而在二维半导体材料中的里德堡激子，由于维度的降低和界面效应的增强，为相关研究提供了新的方向。

发展一套光学“里德堡激子探测”方法

器件结构以及与10度或1.14度转角石墨烯相邻的二硒化钨的光学响应。　中科院物理所 供图

与0.6度转角石墨烯相邻的二硒化钨中的里德堡莫尔激子及其栅压演化规律。　中科院物理所 供图

近几年来，中科院物理所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室许杨特聘研究员与合作者发展了一套光学“里德堡激子探测”的方法，即利用二维半导体二硒化钨的里德堡激子态对周围环境介电屏蔽敏感的特性，实现对临近二维体系中新奇电子态的有效探测。然而在使用这种方法的体系中，里德堡激子态与周围介电层的层间相互作用较弱，如何对里德堡激子进行调控形成强耦合态以及实现空间囚禁成为迫切需要解决的问题。

不过，一种在凝聚态物理领域的二维材料魔角旋转方法，恰恰给操控里德堡激子态带来了新的机遇。基于此，中科院物理所博士生胡倩颖在许杨特聘研究员指导下，近两年来制备了单层二硒化钨与转角石墨烯形成的二维范德华异质结器件样品，并通过低温微区反射光谱/光致发光光谱的方法对体系中的激子态进行了测量和栅压掺杂调控的研究。实验发现，在大角度转角石墨烯和魔角石墨烯的样品中，二硒化钨的光谱信号由“里德堡激子探测”机制主导，主要反映体系中介电函数的变化，例如在魔角石墨烯的样品中探测到一系列对称性破缺的关联电子物态，而在小角度的转角石墨烯样品中，里德堡激子态(尺寸约为7纳米)随栅压调控表现出多重劈裂和显著的红移，被称之为里德堡莫尔激子态。

为里德堡激子提供高度可调束缚势场

里德堡莫尔激子态随转角的演化规律。　中科院物理所 供图

许杨团队通过与武汉大学研究团队新发展的实空间大尺度计算物理方法相结合，他们发现莫尔超晶格中随栅压调节的空间电荷分布可能对这一实验现象的产生起到关键作用。在该体系中，转角石墨烯中产生的周期性莫尔势场类似于冷原子体系中的光晶格，为里德堡激子提供了一个高度可调的束缚势场，并带来电子-空穴严重不对称的层间库伦相互作用。

此外，他们还系统研究了体系中随转角(或莫尔周期)演化的层间耦合强度。这种耦合强度直接反映在里德堡莫尔激子在能量红移的大小上，这些特征随着莫尔周期的增大(转角的减小)而变得更加显著，与空间束缚的里德堡激子物理图像一致。

研究团队表示，正如里德堡原子间可以具有较强的相互作用和对外场的敏感性，它们形成的光悬浮阵列能够被用于量子模拟和量子计算一样，里德堡莫尔激子态的实验发现，系统展示了对于里德堡激子的可控调节以及空间束缚，可为实现基于固态体系中里德堡态在量子科学和技术等方向上的应用提供一条潜在的途径。(完)