范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的莫爾超晶格現(xiàn)已成為研究量子現(xiàn)象的有力工具和載體。該領(lǐng)域的研究也成為目前國際上的熱門研究方向之一。近期，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）王楓團(tuán)隊(duì)利用超精準(zhǔn)強(qiáng)磁場低溫光學(xué)系統(tǒng)-OptiCool搭建了精密的低溫光學(xué)測量系統(tǒng)，對(duì)范德瓦爾斯異質(zhì)中的激子相關(guān)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究并取得重要成果。相關(guān)成果在今年8月分別發(fā)表于Nature Physics^[1]和Nature^[2]上。

單層WSe₂和莫爾WS₂/WSe₂異質(zhì)結(jié)中的關(guān)聯(lián)層間激子絕緣體

該篇工作對(duì)由超薄hBN分隔的WSe₂單層和WS₂/WSe₂莫爾雙層組成的雙層異質(zhì)結(jié)中相關(guān)層間激子絕緣體進(jìn)行了觀察研究。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)空穴的密度為每個(gè)莫爾晶格位置一個(gè)時(shí)，莫爾WS₂/WSe₂雙層具有莫特絕緣體狀態(tài)。當(dāng)電子被添加到WS₂/WSe₂莫爾雙層中的Mott絕緣體中并且相同數(shù)量的空穴被注入到WSe₂單層中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的層間激子絕緣體，其中WSe₂單層中的空穴和摻雜莫特絕緣體中的電子通過層間庫侖相互作用結(jié)合在一起。層間激子絕緣體在WSe₂單層中空穴達(dá)到臨界密度前是穩(wěn)定的，當(dāng)空穴數(shù)量超過臨界密度時(shí)，層間激子就會(huì)解離。本文的研究表明了由于莫爾平帶和較強(qiáng)層間電子相互作用之間的相互影響，在雙層莫爾系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子相的可能性。

由WS₂/WSe₂ 莫爾雙分子層和WSe₂單分子層組成的雙層異質(zhì)結(jié)示意圖

雙層的相關(guān)絕緣狀態(tài)

范德華超晶格中層內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移激子

人們發(fā)現(xiàn)過渡金屬硫化物雙層異質(zhì)結(jié)形成的莫爾圖案是用于研究非同尋常的關(guān)聯(lián)電子相、新型磁學(xué)及有關(guān)的激子物理學(xué)現(xiàn)象的平臺(tái)。目前人們雖然通過光學(xué)表征方法發(fā)現(xiàn)了新型莫爾激子態(tài)，但是對(duì)這種莫爾激子態(tài)的微觀性質(zhì)并不清楚，更多的依靠經(jīng)驗(yàn)性的擬合模型。有鑒于此，加州大學(xué)伯克利分校王楓研究團(tuán)隊(duì)和Steven G. Louie研究團(tuán)隊(duì)通過大尺度第一性原理GW、Bethe -Salpeter計(jì)算并結(jié)合顯微反射光譜，確定了WSe₂/WS₂莫爾超晶格中激子共振的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)一系列通過常規(guī)模型無法發(fā)現(xiàn)的莫爾激子。計(jì)算結(jié)果給出了不同特征的莫爾激子，包括可調(diào)控的Wannier激子和以往未曾發(fā)現(xiàn)的層內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移激子。作者通過莫爾激子不同共振形成的載流子密度和磁場響應(yīng)變化的特點(diǎn)，證實(shí)了這些激子的存在。這項(xiàng)研究展示了過渡金屬硫化物的莫爾超晶格能夠形成非平凡的激子態(tài)，提出了通過設(shè)計(jì)特定空間特征的激發(fā)態(tài)來調(diào)節(jié)莫爾體系中的多體物理的新方法。

莫爾超晶格的重建

旋轉(zhuǎn)排列的WSe2/WS2層內(nèi)激子的光譜和性質(zhì)

以上兩個(gè)重要的科研工作中光學(xué)相關(guān)的測量是基于作者在超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool 系統(tǒng)上搭建的光譜學(xué)測量系統(tǒng)完成的。高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反映出了測試系統(tǒng)具有杰出的靈敏度和穩(wěn)定性。

超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool

OptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái)。系統(tǒng)擁有3.8英寸超大樣品腔、雙錐型劈裂磁體，可在超大空間為您提供高達(dá)±7T的磁場。多達(dá)7個(gè)側(cè)面窗口、1個(gè)頂部超大窗口方便光線由各個(gè)方向引入樣品腔，高度集成式的設(shè)計(jì)讓您的樣品在擁有低溫磁場的同時(shí)擺脫大型低溫系統(tǒng)的各種束縛。近期OptiCool又增加了新的選件，使得OptiCool的功能進(jìn)一步增加，可以方便的應(yīng)用于高壓光譜和THz研究。

OptiCool技術(shù)特點(diǎn)：

?  全干式系統(tǒng)：*無液氦系統(tǒng)，脈管制冷機(jī)。

?  8個(gè)光學(xué)窗口：7個(gè)側(cè)面窗口，1個(gè)頂部窗口

?  超大磁場：±7T

?  超低震動(dòng)：<10 nm  峰-峰值

?  超大空間：Φ89 mm×84 mm

?  精準(zhǔn)控溫：1.7K~350K全溫區(qū)精準(zhǔn)控溫

?  新型磁體：同時(shí)滿足超大磁場均勻區(qū)、大數(shù)值孔徑的要求

?  近工作距離選件：可選3 mm工作距離窗口，增透膜可選^New

?  ZnSe窗口可用于THz研究^New

?  氣路選件：系統(tǒng)可以集成氣路，便于使用氣膜高壓腔進(jìn)行高壓光學(xué)測量^New

?  集成物鏡：集成真空物鏡、低溫物鏡、用戶自定義物鏡^New

?  控制柜電隔離：為確保微弱信號(hào)樣品的電學(xué)測量，避免信號(hào)微擾的可能性^New

?  樣品移動(dòng)：可集成低溫位移器^New

?  光纖選件：系統(tǒng)可集成光纖通道^New

?  底部窗口選件：可實(shí)現(xiàn)樣品腔底部窗口，方面進(jìn)行縱向的透射光學(xué)實(shí)驗(yàn)^New

參考文獻(xiàn)：

[1]. Zhang, Z., Regan, E.C., Wang, D. et al. Correlated interlayer exciton insulator in heterostructures of monolayer WSe₂ and moiré WS₂/WSe₂. Nat. Phys. (2022). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01702-z

[2]. Naik, M.H., Regan, E.C., Zhang, Z. et al. Intralayer charge-transfer moiré excitons in van der Waals superlattices. Nature 609, 52–57 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04991-9