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中科院物理所,再发重磅《Science》

2023-04-04 15:31:20 0 498

研究背景

Moiré模式是指由两个或多个周期模板之间的干扰而产生的一种新的长尺度结构。1874年，物理学家瑞利勋爵首次认识到moiré模式的科学和工程价值。此后，对moiré模式的研究促成了moiré技术的诞生，用于各种实际应用，例如精密测量和定位、自动化和应变测量。在凝聚态物理中，moiré模式(也称为moiré超晶格)可以通过垂直堆叠两个或多个二维(2D)层状材料而形成，具有微小的扭曲角和/或轻微的晶格不匹配。在过去的十年中，moiré超晶格以前所未有的新现象和独特的功能，改变了基础固体物理，材料科学和工程的景观，呈现出壮观的外观。

二维(2D)层状材料由于其电子、光子和光电特性而无法在块状材料中获得，开创了基础研究和技术创新的新时代。

今天，已经发现了超过2000种原子薄的2D材料，从宽带隙绝缘体(如h-BN)、半导体(如MoS₂)和极性金属(如Ga)到超导体(如NbSe₂)、铁磁体(如CrI₃)和量子自旋液体(如RuCl₃)。值得注意的是，具有不同性质的二维原子层可以堆叠在一起形成范德华(vdW)异质结构，而不受传统异质结构中晶格匹配的限制。这使得有机会在一种终极合成量子材料中结合不同成分的最佳特性，从而实现许多以前不可能实现的电子、光子、磁性和拓扑功能。

有趣的是，几何moiré超晶格的出现是由于组成二维原子层之间的干涉与轻微的晶格不匹配和/或小的旋转扭曲。这个moiré超晶格引入了一个新的长度和能量尺度，并提供了一个平台来设计带结构(包括单粒子状态和集体激发)和奇异量子现象的光-物质相互作用。在魔法角扭曲双层石墨烯(TBG)中相关绝缘态和非常规超导性的发现触发下，在moiré超晶格中发现了大量令人兴奋的电子、光学和光电特性，包括moiré激子、通用量子光源、轨道铁磁性、Wigner晶体态、条纹相、拓扑多铁序、玻色子激子晶体和智能红外传感。

研究成果

Moiré超晶格，人工量子材料，为探索全新的物理和设备架构提供了广泛的可能性。中科院物理所杜罗军研究员、张广宇研究员，芬兰阿尔托大学孙志培教授合作介绍了新兴的moiré光子学和光电子学的最新进展，包括但不限于moiré激子、三激子和极化激子;共振杂化激子;重构的集体兴奋;强中远红外光响应;太赫兹单光子探测;还有打破对称性的光电子学。作者还讨论了该领域未来的机遇和研究方向，例如开发先进的技术来探测单个moiré超级单体中的新兴光子学和光电子学;探索新的铁电、磁和多铁moiré系统;并利用外部自由度来设计moiré属性，以实现令人兴奋的物理和潜在的技术创新。相关研究工作以“Moiré photonics and optoelectronics”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。祝贺！

图文速递

图1. Moiré超晶格和moiré物理研究中关键发展的时间轴

图2. 摩尔激子和三激子

本文综述了新兴的moiré光子学和光电子学的最新进展，如moiré中性和带电激子、共振杂化激子、moiré极化激子、moiré相关电子态的涌现光学响应、重构集体激励、太赫兹单光子探测、强中远红外光响应、破对称光电子学等。我们还展望了这一领域的主要挑战和未来机遇，以及对潜在新技术创新的影响。我们特别关注moiré光子学和光电子学，目的是补充最近讨论制造、相关电子态和激子物理的其他综述。

moiré超晶格的受控制造和直接可视化对于解锁其有趣的电子和光学特性以及未来按需应用开发至关重要。

一种自顶向下制备高质量均质层moiré超晶格的方法是“撕裂-叠加”技术。该技术基于确定性拾取和转移，包括有选择地拾取二维材料的一部分，然后将其转移到剩余的部分上，该部分已按用户设计的角度旋转。由于两个组成层最初具有完全相同的晶体取向，扭转角可以用次度分辨率控制。通过预先确定二维材料的主要晶体方向，还可以通过确定性拾取和转移技术制备具有可控扭转角的moiré异质结构。到目前为止，我们已经拥有了各种各样的moiré homo和异质结构，如扭曲过渡金属二卤族化物(TMDC)同工层，扭曲双分子层CrI₃， MoSe₂/ WSe₂和WS₂/WSe₂。值得注意的是，最近开发了一种自动机器人提取和转移技术，能够通过精心设计和角度控制快速制造moiré超晶格。我们设想，先进的机器人组装，通过集成晶圆规模的2D材料生长，机器学习和计算机视觉算法，可以帮助实现moiré超晶格在光子学和光电子学方面的新物理和技术进步的全部潜力。

图3共振杂化激子和moiré极化激子

图4. moiré相关态光子学和重构moiré超晶格

图5. 摩尔光电子学

Moiré超晶格引入了比组成二维层的晶体周期性大得多的新的长度尺度潜力，为工程电子带结构提供了强大的策略，因此导致了大量涌现的量子现象。例如，长波长的moiré周期势可以将电子带结构折叠成一个小布里因带，从而形成平坦带和丰富的相关态相图，如非常规超导、轨道磁性、莫特绝缘体态和拓扑多铁序。

当moiré超晶格遇到光时，它们为发现新兴的光子和光电子现象和器件架构提供了强大的平台。2019年初，四个研究小组分别从实空间和动量空间的角度论证了moiré势对过渡金属二元异质结构激子的显著影响。通过使用moiré超晶格提供的新自由度为工程激子带结构和光物质相互作用的众多应用提供了可能性，例如通用量子光源，新的量子多体物理学和长期寻求的玻色子晶体。moiré激子研究的这些突破引起了人们对moiré光子学和光电子学的极大兴趣。的确，在过去的几年里，人们以前所未有的速度见证了moiré光子和光电子性质的丰富多样性——这些性质涵盖了集体moiré激发、moiré极化激元、moiré相关电子态的光子学、巨大的中远红外光响应、可调谐的体光伏效应等等。值得注意的是，moiré体光伏效应是超强的，比以前的演示要大得多，使智能红外传感器的演示仅具有亚波长足迹，可能用于下一代非线性光子学和光电子学。

结论与展望

在这项研究中，目前，moiré光子学和光电子学的所有测量都是在远场极限下进行的，收集了来自10,000多个moiré细胞的信号。因此，开发先进的技术，可以同时探测单个moiré超晶胞的光子和光电特性，对于促进我们的理解是有价值的。同时，目前moiré光子学和光电子学的研究工作主要集中在扭曲石墨烯和扭曲过渡金属二卤属化合物上。

探索新的moiré系统，如由二维铁电、磁或多铁晶体组成的moiré超晶格，以及涉及两个或多个单个moiré超晶格的moiré器件，将开启moiré光子学和光电子学的研究方向。此外，通过外部手段(例如，电场或磁场、应变和超快光激发)设计moiré光子学和光电子学有可能引发下一个技术创新的“淘金热”(例如，量子非线性光学、超紧凑光调制器和太赫兹单光子器件)。我们刚刚开始探索moiré光子学和光电子学的道路，还会有更多的惊喜。

此外，在层内激子具有高量子效率和对周围介电无序性相对较低的敏感性的情况下，空间有序的moiré激子阵列可以作为超亮量子光源。特别是，moiré量子光源显示出高度的可编程性，其偏振配置和波长由光泵浦、电场和应变控制。这种可编程量子光源将为光学玻色子相干量子现象的探索和各种量子技术的发展提供坚实的基础，如偏振纠缠光子对的产生、迪克超辐射、自旋光子界面、量子信息处理、加密和传感。此外，moiré超晶格通过与其他光学系统(如光学腔、谐振腔、硅基波导和光纤)集成，无疑将为众多新兴的光子和光电子应用(如量子非线性光学、激光、成像阵列、调制器、开关和偏振器件)描绘出一个光明的前景。

文献

文献链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0014.

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