二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以電調(diào)諧的演示為量子模擬提供了新的視角

探索強(qiáng)相互作用量子粒子的性質(zhì)和行為是現(xiàn)代物理學(xué)的前沿領(lǐng)域之一。不僅存在等待解決方案的重大未決問題，其中一些問題已經(jīng)存在了幾十年(想想高溫超導(dǎo)性)。同樣重要的是，目前的分析和數(shù)值工具基本上無法訪問量子多體物理學(xué)的各種機(jī)制。特別是在這些情況下，人們尋求實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中可以控制和調(diào)整粒子之間的相互作用，從而可以系統(tǒng)地探索廣泛的參數(shù)范圍。一個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是精心設(shè)計(jì)的二維 (2D) 材料堆棧。在過去的幾年里，這些“設(shè)計(jì)量子材料”使得對(duì)相關(guān)電子態(tài)的獨(dú)特研究成為可能。然而，一旦制造了堆疊，量子態(tài)之間相互作用的強(qiáng)度通常是固定的。現(xiàn)在，量子電子研究所的 Ataç Imamo?lu 教授小組報(bào)告了一種解決此限制的方法。寫入Science 上，他們引入了一種通用方法，可以通過應(yīng)用電場(chǎng)來調(diào)整 2D 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的相互作用強(qiáng)度 [1]。

轉(zhuǎn)折中的力量

自 2004 年首次成功分離和表征石墨烯(單層碳原子)以來，二維材料一直是固態(tài)研究的焦點(diǎn)。此后該領(lǐng)域以驚人的速度擴(kuò)展，但收到了三年前的一個(gè)顯著提升，當(dāng)時(shí)表明兩個(gè)石墨烯層相對(duì)于彼此以小角度排列可以承載廣泛的由電子相互作用主導(dǎo)的有趣現(xiàn)象。

這種“扭曲雙層”系統(tǒng)，也稱為莫爾結(jié)構(gòu)，隨后也用其他 2D 材料創(chuàng)建，最顯著的是使用過渡金屬二硫?qū)倩?(TMD)。去年，Imamo?lu 小組證明，兩層 TMD 材料二硒化鉬 (MoSe2) 被六方氮化硼 (hBN) 制成的單層勢(shì)壘隔開，產(chǎn)生莫爾結(jié)構(gòu)，其中出現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)的量子態(tài)。 2]。除了純電子態(tài)之外，這些材料還表現(xiàn)出混合光-物質(zhì)態(tài)，最終能夠通過光譜學(xué)研究這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)——這是石墨烯無法實(shí)現(xiàn)的。

但是，盡管這些 MoSe2/hBN/MoSe2結(jié)構(gòu)提供了所有迷人的多體物理學(xué)，但它們與許多其他固態(tài)平臺(tái)都有一個(gè)缺點(diǎn)：關(guān)鍵參數(shù)或多或少在制造過程中是固定的。為了改變這種狀況，由博士后 Ido Schwartz 和 Yuya Shimazaki 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在采用了一種工具，該工具廣泛用于一個(gè)以可調(diào)諧性、超冷原子量子氣體而聞名的平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)。

Feshbach 共振帶電

Schwartz、Shimazaki 和他們的同事證明他們可以在他們的系統(tǒng)中誘導(dǎo)所謂的 Feshbach 共振。這些本質(zhì)上允許通過使量子實(shí)體與束縛態(tài)共振來調(diào)整量子實(shí)體之間的相互作用強(qiáng)度。在 ETH 團(tuán)隊(duì)探索的案例中，這些邊界狀態(tài)介于一層中的激子(使用其系統(tǒng)中的光學(xué)躍遷創(chuàng)建)和另一層中的孔之間。事實(shí)證明，當(dāng)激子和空穴在空間上重疊時(shí)，后者可以隧道到另一層并形成層間激子 - 空穴“分子”(見圖)。至關(guān)重要的是，激子 - 空穴相互作用的相關(guān)層間相互作用強(qiáng)度可以使用電場(chǎng)輕松改變。

“Feshbach 分子”結(jié)合能的這種電可調(diào)性與原子系統(tǒng)形成對(duì)比，在原子系統(tǒng)中，F(xiàn)eshbach 共振通常由磁場(chǎng)控制。此外，施瓦茨、島崎等人的實(shí)驗(yàn)。產(chǎn)生在真正的 2D 系統(tǒng)中發(fā)生的第一個(gè) Feshbach 共振，這本身就很有趣。然而，更重要的可能是現(xiàn)在在 MoSe2/hBN/MoSe2 中探索的電可調(diào) Feshbach 共振異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是具有電子或空穴相干隧穿的雙層系統(tǒng)的通用特征。這意味著新推出的“調(diào)諧旋鈕”可能成為廣泛的基于二維材料的固態(tài)平臺(tái)的通用工具——反過來為更廣泛的量子多體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探索開辟了有趣的視角。

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