范德瓦爾斯異質結構中的莫爾超晶格現已成為研究量子現象的有力工具和載體。該領域的研究也成為目前國際上的熱門研究方向之一。近期，加利福尼亞大學伯克利分校（University of California, Berkeley）王楓團隊利用超精準強磁場低溫光學系統-OptiCool搭建了精密的低溫光學測量系統，對范德瓦爾斯異質中的激子相關特性進行了系統研究并取得重要成果。相關成果在今年8月分別發表于Nature Physics^[1]和Nature^[2]上。

單層WSe₂和莫爾WS₂/WSe₂異質結中的關聯層間激子絕緣體

該篇工作對由超薄hBN分隔的WSe₂單層和WS₂/WSe₂莫爾雙層組成的雙層異質結中相關層間激子絕緣體進行了觀察研究。研究發現當空穴的密度為每個莫爾晶格位置一個時，莫爾WS₂/WSe₂雙層具有莫特絕緣體狀態。當電子被添加到WS₂/WSe₂莫爾雙層中的Mott絕緣體中并且相同數量的空穴被注入到WSe₂單層中時，會出現一個新的層間激子絕緣體，其中WSe₂單層中的空穴和摻雜莫特絕緣體中的電子通過層間庫侖相互作用結合在一起。層間激子絕緣體在WSe₂單層中空穴達到臨界密度前是穩定的，當空穴數量超過臨界密度時，層間激子就會解離。本文的研究表明了由于莫爾平帶和較強層間電子相互作用之間的相互影響，在雙層莫爾系統中實現量子相的可能性。

由WS₂/WSe₂ 莫爾雙分子層和WSe₂單分子層組成的雙層異質結示意圖

雙層的相關絕緣狀態

范德華超晶格中層內電荷轉移激子

人們發現過渡金屬硫化物雙層異質結形成的莫爾圖案是用于研究非同尋常的關聯電子相、新型磁學及有關的激子物理學現象的平臺。目前人們雖然通過光學表征方法發現了新型莫爾激子態，但是對這種莫爾激子態的微觀性質并不清楚，更多的依靠經驗性的擬合模型。有鑒于此，加州大學伯克利分校王楓研究團隊和Steven G. Louie研究團隊通過大尺度第一性原理GW、Bethe -Salpeter計算并結合顯微反射光譜，確定了WSe₂/WS₂莫爾超晶格中激子共振的性質，發現一系列通過常規模型無法發現的莫爾激子。計算結果給出了不同特征的莫爾激子，包括可調控的Wannier激子和以往未曾發現的層內電荷轉移激子。作者通過莫爾激子不同共振形成的載流子密度和磁場響應變化的特點，證實了這些激子的存在。這項研究展示了過渡金屬硫化物的莫爾超晶格能夠形成非平凡的激子態，提出了通過設計特定空間特征的激發態來調節莫爾體系中的多體物理的新方法。

莫爾超晶格的重建

旋轉排列的WSe2/WS2層內激子的光譜和性質

以上兩個重要的科研工作中光學相關的測量是基于作者在超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool 系統上搭建的光譜學測量系統完成的。高質量的實驗數據反映出了測試系統具有杰出的靈敏度和穩定性。

超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool

OptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺。系統擁有3.8英寸超大樣品腔、雙錐型劈裂磁體，可在超大空間為您提供高達±7T的磁場。多達7個側面窗口、1個頂部超大窗口方便光線由各個方向引入樣品腔，高度集成式的設計讓您的樣品在擁有低溫磁場的同時擺脫大型低溫系統的各種束縛。近期OptiCool又增加了新的選件，使得OptiCool的功能進一步增加，可以方便的應用于高壓光譜和THz研究。

OptiCool技術特點：

?  全干式系統：*無液氦系統，脈管制冷機。

?  8個光學窗口：7個側面窗口，1個頂部窗口

?  超大磁場：±7T

?  超低震動：<10 nm  峰-峰值

?  超大空間：Φ89 mm×84 mm

?  精準控溫：1.7K~350K全溫區精準控溫

?  新型磁體：同時滿足超大磁場均勻區、大數值孔徑的要求

?  近工作距離選件：可選3 mm工作距離窗口，增透膜可選^New

?  ZnSe窗口可用于THz研究^New

?  氣路選件：系統可以集成氣路，便于使用氣膜高壓腔進行高壓光學測量^New

?  集成物鏡：集成真空物鏡、低溫物鏡、用戶自定義物鏡^New

?  控制柜電隔離：為確保微弱信號樣品的電學測量，避免信號微擾的可能性^New

?  樣品移動：可集成低溫位移器^New

?  光纖選件：系統可集成光纖通道^New

?  底部窗口選件：可實現樣品腔底部窗口，方面進行縱向的透射光學實驗^New

參考文獻：

[1]. Zhang, Z., Regan, E.C., Wang, D. et al. Correlated interlayer exciton insulator in heterostructures of monolayer WSe₂ and moiré WS₂/WSe₂. Nat. Phys. (2022). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01702-z

[2]. Naik, M.H., Regan, E.C., Zhang, Z. et al. Intralayer charge-transfer moiré excitons in van der Waals superlattices. Nature 609, 52–57 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04991-9