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二维异质结构可以电调谐的演示为量子模拟提供了新的视角

导读探索强相互作用量子粒子的性质和行为是现代物理学的前沿领域之一。不仅存在等待解决方案的重大未决问题,其中一些问题已经存在了几十年(想

探索强相互作用量子粒子的性质和行为是现代物理学的前沿领域之一。不仅存在等待解决方案的重大未决问题,其中一些问题已经存在了几十年(想想高温超导性)。同样重要的是,目前的分析和数值工具基本上无法访问量子多体物理学的各种机制。特别是在这些情况下,人们寻求实验平台,其中可以控制和调整粒子之间的相互作用,从而可以系统地探索广泛的参数范围。一个这样的实验平台是精心设计的二维 (2D) 材料堆栈。在过去的几年里,这些“设计量子材料”使得对相关电子态的独特研究成为可能。然而,一旦制造了堆叠,量子态之间相互作用的强度通常是固定的。现在,量子电子研究所的 Ataç Imamoğlu 教授小组报告了一种解决此限制的方法。写入Science 上,他们引入了一种通用方法,可以通过应用电场来调整 2D 异质结构中的相互作用强度 [1]。

转折中的力量

自 2004 年首次成功分离和表征石墨烯(单层碳原子)以来,二维材料一直是固态研究的焦点。此后该领域以惊人的速度扩展,但收到了三年前的一个显着提升,当时表明两个石墨烯层相对于彼此以小角度排列可以承载广泛的由电子相互作用主导的有趣现象。

这种“扭曲双层”系统,也称为莫尔结构,随后也用其他 2D 材料创建,最显着的是使用过渡金属二硫属化物 (TMD)。去年,Imamoğlu 小组证明,两层 TMD 材料二硒化钼 (MoSe2) 被六方氮化硼 (hBN) 制成的单层势垒隔开,产生莫尔结构,其中出现强相关的量子态。 2]。除了纯电子态之外,这些材料还表现出混合光-物质态,最终能够通过光谱学研究这些异质结构——这是石墨烯无法实现的。

但是,尽管这些 MoSe2/hBN/MoSe2结构提供了所有迷人的多体物理学,但它们与许多其他固态平台都有一个缺点:关键参数或多或少在制造过程中是固定的。为了改变这种状况,由博士后 Ido Schwartz 和 Yuya Shimazaki 领导的团队现在采用了一种工具,该工具广泛用于一个以可调谐性、超冷原子量子气体而闻名的平台上的实验。

Feshbach 共振带电

Schwartz、Shimazaki 和他们的同事证明他们可以在他们的系统中诱导所谓的 Feshbach 共振。这些本质上允许通过使量子实体与束缚态共振来调整量子实体之间的相互作用强度。在 ETH 团队探索的案例中,这些边界状态介于一层中的激子(使用其系统中的光学跃迁创建)和另一层中的孔之间。事实证明,当激子和空穴在空间上重叠时,后者可以隧道到另一层并形成层间激子 - 空穴“分子”(见图)。至关重要的是,激子 - 空穴相互作用的相关层间相互作用强度可以使用电场轻松改变。

“Feshbach 分子”结合能的这种电可调性与原子系统形成对比,在原子系统中,Feshbach 共振通常由磁场控制。此外,施瓦茨、岛崎等人的实验。产生在真正的 2D 系统中发生的第一个 Feshbach 共振,这本身就很有趣。然而,更重要的可能是现在在 MoSe2/hBN/MoSe2 中探索的电可调 Feshbach 共振异质结构应该是具有电子或空穴相干隧穿的双层系统的通用特征。这意味着新推出的“调谐旋钮”可能成为广泛的基于二维材料的固态平台的通用工具——反过来为更广泛的量子多体系统实验探索开辟了有趣的视角。

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