原子级薄层的过渡金属二硫属化合物transition metal dichalcogenides，TMDs，是紧密束缚激子和强光-物质相互作用的二维半导体。由于层与层之间弱的范德华键，过渡金属二硫属化合物TMDs，可以隔离并堆叠在一起，以合成范德瓦尔斯异质结构材料，并呈现层展emergent电子和激子性质。
近日，美国 加利福尼亚大学伯克利分校(University of California, Berkeley) Feng Wang团队Emma C. Regan，Danqing Wang，密歇根大学(University of Michigan) Hui Deng团队Eunice Y. Paik，Long Zhang，德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin) Allan H.MacDonald团队Yongxin Zeng，Jihang Zhu，在Nature Reviews Materials上发表综述文章，主要关注莫尔超晶格和与光腔耦合的过渡金属二硫属化合物TMD异质双层中的激子物理，其中激子行为受环境显著改变。
在莫尔超晶格中，层间的小扭曲角或晶格失配，在层间排列中引入周期性变化，这产生了激子局域化、修正光学选择规则和强关联。
在腔-异质结构系统中，光-物质相互作用增强，激子态可以与腔耦合形成激子-极化激元，其性质取决于特定过渡金属二硫属化合物TMD层及其排列。
同时，也讨论了在过渡金属二硫属化合物TMD异质双层中，实现奇异激子态的最新理论和实验进展，并给出了这一研究领域的未来科学与技术方向。
Emerging exciton physics in transition metal dichalcogenide heterobilayers.
过渡金属二硫族化合物异质双层的激子物理。
图1：过渡金属二硫族化合物transition metal dichalcogenide，TMD异质结构的激子。
图2：过渡金属二硫族化合物莫尔超晶格。
图3：层内莫尔激子。
图4：层间莫尔激子。
图5：杂化莫尔激子。
图6：莫尔超晶格关联的激子探针Excitonic probes。
图7：光腔中的激子。
图8：过渡金属二硫族化合物TMD异质结构中的激子库Exciton reservoirs。
过渡金属二硫属化合物transition metal dichalcogenides，TMD异质结构的激子物理Exciton physics，因莫尔调制moiré modulation而异常丰富，从而产生分裂吸收峰和发射峰的激子微带，并增加了可用于退相干过程的相空间，通过较大的结合能，即使当过渡金属二硫属化合物TMD两层广泛分离时，也可以在实验上获得层间激子interlayer excitons。五点展望如下：
1、层间激子凝聚Interlayer exciton condensation。
自20世纪60年代以来，人们认识到了激子实现玻色-爱因斯坦凝聚的可能性。然而，在块体材料中，实现明确激子凝聚，一直是极具挑战性的。主要障碍之一，就是是光学产生激子的短寿命，原则上，可以通过将电子和空穴分离到不同层中，以增加其光学复合时间的。电子和空穴之间的空间分离，也确保了激子之间的排斥偶极相互作用，并防止了双激子形成。
现在，过渡金属二硫属化合物TMD异质结构，有望助力于空间间接激子物理，因为电子和空穴的分离，可以通过插入几个中等电阻的六方氮化硼hexagonal boron nitride，hBN层，将光学寿命延长几个数量级，同时保持相当大的电子-空穴结合能。激子结合能是重要的，因其设定了凝聚温度的上限。这些研究，有望助力于激子传输和光电控制，或实现量子霍尔激子凝聚体的超流体性质。
2、玻色-哈伯德Bose–Hubbard模型和莫尔激子的超流体-绝缘体转变。
从超流体到绝缘体转变，发生在窄带极限，平衡玻色子的量子物理，在晶格系统中特别丰富。通过用六方氮化硼hBN势垒分离电子和空穴层，可以在过渡金属二硫属化合物TMD异质结构中，实现平衡间接激子系统。当存在莫尔图案时，是否可以形成足够窄的激子带，还有待观察。过渡金属二硫属化合物TMD异质结构中的莫尔调制势，部分来自相邻层的能级排斥，部分来自静电。当hBN势垒分开了间接激子的电子和空穴时，莫尔电势的两个分量，都会强烈衰减，并且可能需要找到新的路径，以实现调制。其中之一，就是采用静电掺杂的中间扭曲双层石墨烯。
3、莫尔激子-极化激元Moiré exciton-polaritons
在II型能带排列的异质结构中，层间激子的长谷寿命和长扩散长度，以及调节2D材料的掺杂水平的可能性，可以促进超紧凑和集成电光器件的实现。在开发2D材料激光器过程中，未来研究可能会阐明，不同单层组合和不同扭转角的莫尔晶格，其最佳能带结构和载流子局域化。
在I型能带排列或强层间和层内激子混合的异质结构中，通过掺杂、电场和扭曲角，莫尔激子的可调性，转录到莫尔极化激元。调节层间杂化，可用于调节激子-光子耦合强度、激子-光子失谐和极化激元模式的非线性。这一极化激元系统，保证了广泛的可调性、高工作温度和易于集成。
将莫尔超晶格集成到腔中，产生了一种新型的极化激元系统。进一步理解和控制莫尔极化激元，在低密度下的异常强非线性，可能会为极化激元阻断和超低功率非线性光学开关，开辟新的途径。莫尔晶格势和光子势之间的相互作用，有望助力于电子相和拓扑输运现象的腔调控。
4、莫尔激子络合物Moiré exciton complexes
除了束缚电子和空穴组成的激子外，过渡金属二硫属化合物TMDs中，还存在一大类激子络合物complexes，包括带电激子（电荷-激子络合物）和双激子（激子-激子络合物）。莫尔超晶格中，这些多体态行为，可能会是在层内或层间。考虑带电激子或trion：在莫尔超晶格中，掺杂电荷的最低能量位置，可能与激子中的电子和空穴处于同一位置，也可能不在同一位置。依赖于其相对位置和限制，激子和电荷之间的相互作用，可以增强或抑制。类似地，激子在超晶格中的局域化，可能导致激子-激子相互作用的增强或抑制。理解和操纵莫尔超晶格中的电荷-激子和激子-激子相互作用，将有力推动莫尔超晶格在器件中的应用。
5、杂化系统Hybrid systems
2D材料，能够以新方式调控材料性质，而激子物理学，肯定会发挥核心作用。过渡金属二硫属化合物TMD异质结构激子流体，也是多物理杂化系统之一，研究范围必将大大扩展。例如，可以将静电掺杂的扭曲双层石墨烯，放置激子流体TMD异质双层之间。因为当TMD异质结构流体扭曲和密度波动介导配对时，石墨烯双层，可以呈现增强的态密度，所以相对高温超导来说，似乎是可能。这只是众多例子之一。过渡金属二硫属化合物TMD异质结构中的激子和激子-极化子物理前景，确实是无限光明的。
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41578-022-00440-1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41578-022-00440-1
本文译自Nature。
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