2024年斯隆奖「诺奖风向标」，光谱学+成像技术，最新Nature子刊

研究背景

相关系统是指其中的粒子之间存在相互作用，导致它们的行为不再能够简单地用单个粒子的理论来描述。这种复杂性使得相关系统具有许多新奇的特性和潜在的应用，超越了传统单粒子框架的范畴。

在这个领域，激子相关系统引起了科学家们的极大兴趣。激子是一对电子和空穴的束缚态，它们通过库仑相互作用结合在一起。在二维半导体中，激子具有独特的性质，如强烈的光-物质相互作用和谷极化效应，使其成为研究的热点。

然而，尽管已经在电子系统中观察到了各种磁性有序和相关相，如超导性和分数量子反常霍尔态，但在激子相关系统中，相关相仍然相对未知。之前的研究主要集中在电子相关性上，而激子相关相的探索相对较少。

成果简介

为了解决这一问题，加利福尼亚大学圣芭芭拉分校Chenhao Jin（金辰皓）等人选择了WSe2/WS2莫尔反射超晶格作为研究对象，利用其中的激子来探索激子相关性。通过使用泵浦-探测光谱技术，他们成功地观察到了层间激子“自旋”序的有趣相图，并且能够直接创建和探测系统的低能自旋激发。相关研究在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Tunable exciton valley-pseudospin orders in moiré superlattices”的最新论文。通过探索激子相关系统的性质，我们可以更好地理解并利用其在光子学和谷电子学中的潜在应用。此外，这项研究也为开发新型量子器件和实现量子信息处理提供了新的思路和方法。

研究亮点

1. 探索相关激子的相关相：通过研究WSe2/WS2莫尔反射超晶格中的相关激子，揭示了激子在相关相中的行为，这是对相关量子物质的重要拓展。

2.发现可调谐的激子“自旋”序：在研究中发现了在激子填充vex = 1 处出现了一个可调谐的激子“自旋”序，这为操控和利用激子的自旋提供了新的可能性。

3. 建立了激 “自旋”序的相图：通过实验观察到的相图，揭示了不同激子填充和外加磁场对激子“自旋”序的影响，这为进一步研究和工程应用提供了理论基础。

4. 利用泵浦-探测光谱技术研究激子“自旋”序：采用泵浦-探测光谱技术，成功地研究了激子“自旋”序的低能激发，这为研究相关量子系统提供了一种有效的方法5. 利用光学选择规则实现自旋分辨检测：通过利用过渡金属二硫化物的光学选择规则，成功实现了对激子自旋的分辨检测，为对激子行为的深入理解提供了重要手段。

图文解读

图1：自旋-1/2 Bose–Hubbard 模型。

图2. 基于站点的自旋相关激子相互作用。

图3. 从广义螺旋度 (GH) 获得激子自旋序的证据。

图4：利用磁场和激子填充调节的激子自旋序。

图5：激子自旋序的相图。

研究结论

本研究通过观察激子在WSe2/WS2莫尔反射超晶格中的行为，揭示了相关自旋玻色子系统中的相变机制和激子激发态的独特行为。这为我们理解自旋玻色子系统中的相关相提供了新的实验和理论基础，并拓展了相关自旋玻色子的研究范围。通过建立半导体莫尔反射超晶格为实现激子异相状态的有趣平台，我们不仅可以在光子学和量子信息科学领域探索新型器件概念，还可以利用激子的磁场和填充依赖性，实现类似于相变晶体管的光学门控制和高效光源调控。此外，我们的研究还揭示了两成分 Bose–Hubbard模型可能支持更多异相序，如超固体等，为未来的理论研究和实验设计提供了宝贵的参考。

文献信息

Xiong, R., Brantly, S.L., Su, K. et al. Tunable exciton valley-pseudospin orders in moiré superlattices. Nat Commun 15, 4254 (2024).