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我国科学家发现了里德伯莫尔激子

科学探索万象经验2023-07-05

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。