我国科学家发现了里德伯莫尔激子

在这篇文章中，我将向你介绍一种新的量子物质，它是由我国的一组研究人员发现的，目前论文已经发表在《科学》杂志上。它们被称为里德伯莫尔(Rydberg moiré)激子，它们是在单层半导体 WSe₂与扭转双层石墨烯相邻处形成的 moiré 陷阱 Rydberg 激子。

首先，我们先了解一下什么是激子。激子是半导体中电子和空穴的束缚态。空穴是价带中缺失的电子，它表现为一个正电荷。当导带中的电子与空穴复合时，它会发射一个光子，这是LED和激光器中发光的基本机制。

激子有一个有限的大小，它取决于电子和空穴的有效质量，以及它们之间的库仑吸引力的强度。激子的大小可以用波尔半径公式来估计：a=ℏ²ε/μe² 。其中ℏ是约化普朗克常数， ε是材料的介电常数， μ是电子-空穴对的约化质量。

WSe₂中的激子的波尔半径约为 1 nm，比晶格常数0.33 nm 大得多。这意味着激子波函数延伸到几个晶胞之外，激子表现为固体中类氢原子。

现在，如果我们将电子激发到更高的能级，留下一个在较低能级的空穴，会发生什么呢？我们得到了一个Rydberg 激子，它是一个具有较大主量子数 n 的激子。Rydberg 激子比基态激子有更大的大小，按 n² 比例增加。例如，具有 n=10 的Rydberg激子有约100nm 的大小，与可见光的波长相当。

Rydberg 激子有一些引人注目的特性，使它们适合用于量子应用。例如，它们具有较大的偶极矩，增强了它们与电场和其他偶极矩的相互作用。它们也具有较长的寿命，可以存储量子信息更长时间。此外，它们还表现出量子干涉效应，如Fano共振和电磁诱导透明。

接下来，让我向你介绍另一种迷人的现象，当我们用一个小扭转角堆叠两层原子时会发生什么。我们得到了一个moiré超晶格，它是由于两个晶格之间的干涉而产生的原子势能的周期性调制。moiré 超晶格比原始晶格有更大的周期，按1/θ比例增加，其中θ是扭转角。