探索強相互作用量子粒子的性質和行為是現代物理學的前沿領域之一。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)地探索廣泛的參數范圍。一個這樣的實驗平臺是精心設計的二維 (2D) 材料堆棧。在過去的幾年里，這些“設計量子材料”使得對相關電子態(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。現在，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整 2D 異質結構中的相互作用強度 [1]。
轉折中的力量
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象。
這種“扭曲雙層”系統(tǒng)，也稱為莫爾結構，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屬化物 (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，產生莫爾結構，其中出現強相關的量子態(tài)。 2]。除了純電子態(tài)之外，這些材料還表現出混合光-物質態(tài)，最終能夠通過光譜學研究這些異質結構——這是石墨烯無法實現的。
但是，盡管這些 MoSe2/hBN/MoSe2結構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：關鍵參數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 領導的團隊現在采用了一種工具，該工具廣泛用于一個以可調諧性、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。這些本質上允許通過使量子實體與束縛態(tài)共振來調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)。至關重要的是，激子 - 空穴相互作用的相關層間相互作用強度可以使用電場輕松改變。
“Feshbach 分子”結合能的這種電可調性與原子系統(tǒng)形成對比，在原子系統(tǒng)中，Feshbach 共振通常由磁場控制。此外，施瓦茨、島崎等人的實驗。產生在真正的 2D 系統(tǒng)中發(fā)生的第一個 Feshbach 共振，這本身就很有趣。然而，更重要的可能是現在在 MoSe2/hBN/MoSe2 中探索的電可調 Feshbach 共振異質結構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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