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

探索強相互作用量子粒子的性質(zhì)和行為是現(xiàn)代物理學的前沿領(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的各種機制。特別是在這些情況下，人們尋求實驗平臺，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。一個這樣的實驗平臺是精心設(shè)計的二維 (2D) 材料堆棧。在過去的幾年里，這些“設(shè)計量子材料”使得對相關(guān)電子態(tài)的獨特研究成為可能。然而，一旦制造了堆疊，量子態(tài)之間相互作用的強度通常是固定的?，F(xiàn)在，量子電子研究所的 Ataç Imamo?lu 教授小組報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，可以通過應用電場來調(diào)整 2D 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的相互作用強度 [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。此后該領(lǐng)域以驚人的速度擴展，但收到了三年前的一個顯著提升，當時表明兩個石墨烯層相對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) 制成的單層勢壘隔開，產(chǎn)生莫爾結(jié)構(gòu)，其中出現(xiàn)強相關(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研究這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)——這是石墨烯無法實現(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，但它們與許多其他固態(tài)平臺都有一個缺點：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)導的團隊現(xiàn)在采用了一種工具，該工具廣泛用于一個以可調(diào)諧性、超冷原子量子氣體而聞名的平臺上的實驗。

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)中誘導所謂的 Feshbach 共振。這些本質(zhì)上允許通過使量子實體與束縛態(tài)共振來調(diào)整量子實體之間的相互作用強度。在 ETH 團隊探索的案例中，這些邊界狀態(tài)介于一層中的激子(使用其系統(tǒng)中的光學躍遷創(chuàng)建)和另一層中的孔之間。事實證明，當激子和空穴在空間上重疊時，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)層間相互作用強度可以使用電場輕松改變。

“Feshbach 分子”結(jié)合能的這種電可調(diào)性與原子系統(tǒng)形成對比，在原子系統(tǒng)中，F(xiàn)eshbach 共振通常由磁場控制。此外，施瓦茨、島崎等人的實驗。產(chǎn)生在真正的 2D 系統(tǒng)中發(fā)生的第一個 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)平臺的通用工具——反過來為更廣泛的量子多體系統(tǒng)實驗探索開辟了有趣的視角。

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