我国科学家成功操纵激子界的“绿巨人”里德堡莫尔激子

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科技日报记者 陆成宽

在电影《绿巨人》中，人受到强力辐射后，身体里的神秘力量会被诱发，变为拥有超强力量的绿巨人。这种现实中很难实现的事情，在固体中却可以通过构造精妙的材料来实现。

中国科学院物理研究所特聘研究员许杨团队首次报道了对里德堡莫尔激子的实验观测，系统地展示了对里德堡激子的可控调节以及空间束缚。该成果为实现基于固态体系中的里德堡态在量子科学和技术等方向上的应用提供了一条潜在的途径。相关研究结果6月30日在线发表于《科学》杂志。

众所周知，原子是构成物质的基本微观粒子。原子的电子具有分层排布的特性，当电子被激发到更外层的轨道上时，形成的原子叫做里德堡原子。这种被激发的原子由于“体型”更为庞大，被形象地称为原子界的巨人。

半导体材料中由正电荷和负电荷相互吸引组成的粒子叫激子，对应的，激子的激发态被称为里德堡激子。同样地，里德堡激子是激子界的巨人。像“绿巨人”有超强力量一样，里德堡态的激子具有很多有意思的特性，比如可以在半导体里自由移动、能够对周围环境的改变产生较大的响应等。

上个世纪50年代在半导体材料氧化亚铜中，科学家首先发现一种处于激发态的电子-空穴对，即里德堡激子。尽管这样的里德堡激子与现代半导体技术更加兼容，但在三维固体体系中，想通过操纵里德堡激子构造稳定的实用器件仍面临激子态易缺失、调控参数少等诸多挑战。“而在二维半导体材料中的里德堡激子，由于维度的降低和界面效应的增强，为构造稳定的实用器件提供了新的方向。”许杨说。

在过去几年中，许杨与合作者发展了一套光学“里德堡激子探测”的方法，即利用二维半导体二硒化钨的里德堡激子态对周围环境介电屏蔽敏感的特性，实现对临近二维体系中新奇电子态的有效探测。“然而，在这一体系中，里德堡激子态与周围介电层的层间相互作用较弱，如何对里德堡激子进行调控形成强耦合态以及实现空间囚禁，成为迫切需要解决的问题。”

一种在凝聚态物理领域的二维材料魔角旋转方法，给操控里德堡激子态带来了新的机遇。“在这项研究中，我们的实验通过构造转角石墨烯形成周期性的莫尔势阱，对二维半导体里的里德堡激子实现了可控调节和空间上的束缚。”论文共同第一作者胡倩颖说。

对此，许杨表示，里德堡莫尔激子态的实验发现，系统地展示了对于里德堡激子的可控调节以及空间束缚，为实现基于固态体系中里德堡态在量子科学和技术等方向上的应用提供了一条潜在的途径。

（中科院物理所供图）

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