博士后郑海红同学在国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》上发表高水平论文

课题组博士后郑海红同学在国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》上发表高水平论文

      近日，课题组成员郑海红同学在刘老师的指导下，以第一作者在Nature旗下国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》(IF: 20.257)上发表题为“Localization-enhanced moiré exciton in twisted transition metal dichalcogenide heterotrilayer superlattices”(扭角过渡金属二硫化物三层超晶格中莫尔激子局域化的增强效应)的实验论文。

图：扭角过渡金属二硫化物三层超晶格中莫尔激子局域化的增强效应

      由于晶格失配或扭曲角度，垂直堆叠的二维材料可以产生周期性的莫尔条纹超晶格。莫尔超晶格中的莫尔势能主导了小布里渊区内的动能，改变了异质结内的电子能带结构，并引起了强相关量子现象：包括强相关绝缘体、超导体、莫尔激子、莫尔声子、磁性。扭曲的二维材料异质结中的莫尔超晶格为多体物理的发展提供了机会，这将有助于推动新型量子器件的发展。由莫尔超晶格引起的周期性莫尔势能可以捕获层间激子，产生莫尔激子阵列。莫尔势能的可调性为量子光学中准粒子的量子操控开辟了一条新途径。最近，在扭角MoSe₂/WSe₂异质结中报道了莫尔激子，并观察到了多个层间激子共振现象。它们将这些共振归因于激子的基态和与莫尔势能有关的激发态。这种莫尔超晶格可以应用于量子发射器阵列。然而，莫尔超晶格对莫尔激子性质的调制效应与扭曲层数之间的关系尚需进一步研究，特别是对于超过两层的二维扭曲角异质结。

     在这项工作中，我们利用层数的自由度来研究莫尔激子的局域化。我们报告了在高质量的六角硼氮化物（hBN）封装的扭曲异质三层结构中观察到多个激子共振。WSe₂/WS₂/WSe₂异质三层结构具有两种II型能带对准，形成了两个重叠的莫尔势能在扭曲的WSe₂/WS₂界面上。两个Moiré势能的协同作用使得界面上的Moiré激子非常局域化，表现为多个尖锐的发射线，与扭曲的WSe₂/WS₂异质双层结构的Moiré激子行为形成鲜明对比。此外，通过比较不同层数的扭曲角异质结的激光功率和温度变化的差异，进一步证明了WSe₂/WS₂/WSe₂异质三层结构界面形成双重Moiré条纹会诱导更深、更窄的Moiré势能来局域激子。同时，磁光光谱结果显示，可区分的g因子是由Moiré图案所创建的势能中的激子限制造成的。我们的结果提供了一种调节扭曲角异质结构中Moiré激子局域化的新方法，有望实现激子的单光子发射，推动Moiré超晶格在量子器件中的应用。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01171-w

新闻报道： https://news.csu.edu.cn/info/1003/155791.htm

Comments:

The study of twisted 2D layered materials has led to the discovery of moiré superlattices, which have become an exciting new platform for the exploration of quantum optics. The strong coupling between the layers of these superlattices can result in interesting phenomena such as unconventional superconductivity, Mott insulating states, and moiré excitons. However, the ability to adjust and localize these excitons in Van der Waals heterostructures has not been extensively explored. This work presents experimental evidence of the localization-enhanced moiré excitons in a twisted WSe₂/WS₂/WSe₂ heterotrilayer with type-II band alignments. By utilizing the layer degrees of freedom, the researchers were able to observe multiple sharp emission lines, which is in contrast to the broader linewidth of the twisted WSe₂/WS₂ heterobilayer. The enhancement of the two moiré potentials in the twisted heterotrilayer allowed for highly localized moiré excitons at the interface. The confinement effect of the moiré potential on the excitons was further demonstrated by changes in temperature, laser power, and valley polarization. This study offers a new approach for localizing moiré excitons in twist-angle heterostructures, which has the potential to advance the development of coherent quantum light emitters.