清華新聞網(wǎng)2月17日電 近年來(lái),，莫爾激子（Moiré excitons）作為一種新型的量子物態(tài)，由于其獨(dú)特的性質(zhì)和轉(zhuǎn)角可調(diào)控的特性,，獲得了凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,。莫爾激子是由二維材料中莫爾勢(shì)調(diào)制的電子空穴束縛態(tài)，通常出現(xiàn)在雙層過(guò)渡金屬二硫化物（TMDs）等具有轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的材料體系中,。這些激子態(tài)不但保留了單層TMD材料中激子的部分性質(zhì),，例如自旋-谷鎖定，同時(shí)還有轉(zhuǎn)角依賴的特點(diǎn),，包括可調(diào)的光學(xué)性質(zhì)和電子行為,，使其在量子計(jì)算,、光電器件和信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。理論計(jì)算中,，莫爾激子的研究面臨諸多挑戰(zhàn),，由于莫爾超晶格的原胞龐大，且具有較復(fù)雜的多自由度耦合,，使得完全基于第一性原理的激子研究需要大量的計(jì)算資源,，阻礙了該領(lǐng)域的發(fā)展。
（a）莫爾材料中的激子示意圖（b）谷間散射機(jī)制對(duì)于谷極化的影響示意圖
近期,，清華大學(xué)物理系段文暉教授、徐勇教授課題組與北京航空航天大學(xué)湯沛哲教授課題組,、浙江大學(xué)常凱教授課題組合作,，使用了電子連續(xù)模型與激子貝特-薩佩特方程（Bethe-Salpeter equation,BSE）結(jié)合的方法，以WSe2/WS2異質(zhì)結(jié)為例,，研究了層內(nèi)莫爾激子的多方面性質(zhì),。此前的激子連續(xù)模型研究無(wú)法準(zhǔn)確描述在WSe2/WS2轉(zhuǎn)角異質(zhì)結(jié)中的電荷轉(zhuǎn)移莫爾激子，該研究中使用的方法克服了此前研究方法的限制,，提供了一個(gè)更為準(zhǔn)確且高效的莫爾激子的研究方法,，其結(jié)果與大規(guī)模GW-BSE計(jì)算定性一致，彌補(bǔ)了之前簡(jiǎn)化模型的不足之處,。同時(shí),，與GW-BSE計(jì)算相比，該方法所需要的計(jì)算資源較小,，能夠有效地處理庫(kù)倫交換作用,。通過(guò)調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)角度，研究考察了層內(nèi)莫爾激子的結(jié)合能,、玻爾半徑,、三重態(tài)-單重態(tài)能級(jí)劈裂以及不同能谷間耦合強(qiáng)度的變化,。
研究表明,，扭轉(zhuǎn)角度能夠有效調(diào)控莫爾谷極化和其他谷電子學(xué)特性，轉(zhuǎn)角依賴的庫(kù)倫交換相互作用在其中起著至關(guān)重要的作用,。尤其值得注意的是,，該研究展示了在小角度的扭轉(zhuǎn)TMDs中，光學(xué)實(shí)驗(yàn)中可實(shí)現(xiàn)的谷極化率可以達(dá)到90%以上,，這為轉(zhuǎn)角TMD材料未來(lái)在谷電子學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了有力支持,。這些研究結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)角度作為一種新的自由度,，能夠調(diào)控莫爾半導(dǎo)體的光學(xué)特性,，不但深化了對(duì)于莫爾激子的理解，而且為光電莫爾器件的開(kāi)發(fā)提供了新的可能性。
相關(guān)研究成果以“范德華超晶格層內(nèi)莫爾激子的扭角相關(guān)谷極化”（Twist-Angle-Dependent Valley Polarization of Intralayer Moiré Excitons in van der Waals Superlattices）為題,，于1月17日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）,。
北京航空航天大學(xué)湯沛哲教授和清華大學(xué)徐勇教授為論文通訊作者，清華大學(xué)物理系2021級(jí)博士生王任琦為論文第一作者,。論文合作者包括清華大學(xué)段文暉教授和浙江大學(xué)常凱教授,。研究得到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金,、量子科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃,、天津國(guó)家超算中心等科研經(jīng)費(fèi)和項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.026904
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
