研究動態

      理解粒子關聯態對材料特性的影響是推進新型量子信息器件發展的關鍵科學問題之一。當多種準粒子（包括費米子（如電子）和玻色子（如激子（束縛的電子-空穴對）））的相互作用時，會導致關聯物態的出現，其與超導性、關聯絕緣體等重要物理現象密切相關。范德華材料中的莫爾超晶格已成為研究凝聚態物理關聯態的前沿平臺，而關聯態對發射相干性這一量子光學關鍵參數的影響與調控，在過渡金屬二硫屬化物（TMD）構成的半導體二維莫爾超晶格中仍缺乏系統探索。

      中國科學技術大學譚青海教授與蔡洪冰教授，新加坡南洋理工大學的Weibo Gao教授團隊合作的工作在該領域取得重要突破，相關成果以《Enhanced coherence from correlated states in WSe₂/MoS₂ moiré heterobilayer》為題，發表于國際SCI期刊《Nature Communications》上。通過開展激發功率、溫度與靜電摻雜依賴性實驗，課題組在WSe₂/MoS₂莫爾超晶格中證實了關聯態對層間激子光致發光（PL）發射相干性的調控作用。研究表明，WSe?/MoS?異質雙層中莫爾層間激子的發射相干性對材料中的相關絕緣態高度敏感，層間激子發射線寬在特定功率范圍內呈下降趨勢，該現象被歸因于激子（玻色子）之間的相互作用。同時，在整數電子填充因子fel=1時，光致發光光譜的摻雜依賴性中也出現了這種線寬最小值，印證了電子（費米子）絕緣態對層間激子發射相干性的影響。這一發現揭示了莫爾半導體中激子-激子和激子-電子相互作用的豐富性，并通過調控這種相互作用為調控發射相干性鋪平了道路。該研究借助低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100和低溫強磁場拉曼顯微鏡-cryoRaman系統探究了激發功率、溫度及摻雜對莫爾激子相干性的影響，為二維材料量子光學特性調控提供了重要實驗依據。

研究進展

      WSe?/MoS?異質結器件結構如圖1a所示，器件光學圖像如圖1b所示，通過柵極電壓可以實現載流子摻雜控制。該異質雙層結構由單層WSe?堆疊在單層MoS?上構成。因兩者晶格常數差異，即使對準也會形成莫爾超晶格。超晶格勢不僅誘導電子局域化，還導致激子局域化，從而產生多個莫爾IX能級（圖1c）。莫爾激子與莫爾誘導準粒子晶格之間的相互作用會影響莫爾激子的光致發光發射，例如相干性（圖1d、e）。

圖1：器件結構與理論物理圖像。1a: 器件的結構示意圖，通過電極可以調控器件的載流子摻雜。1b: 器件的光學照片。1c: 莫爾層間激子(IX)與莫爾誘導準粒子晶格間相互作用的示意圖。1d-e：低相干性(1d)與高相干性(1e)中莫爾IX發射的示意圖。莫爾激子的時間相干性受到關聯態影響。不同顏色的箭頭示意不同能量下的激子發射。

      課題組系統研究了器件 PL 光譜隨激發功率的演變（圖 2a）。當激發功率超過 8 μW 時，高能激子峰 P2 開始出現；功率超過 34 μW 時，P2 發射主導 PL 信號。通過對 P2 發射峰的功率依賴線寬分析（圖 2b，34 μW 功率下擬合結果見插圖），發現 P2 線寬從 34 μW 時的 19.3 meV 降至 110 μW 時的 17.6 meV，在 100-150 μW 功率區間形成線寬凹陷。為驗證線寬變窄現象，采用馬赫 - 曾德爾干涉儀（圖 2c 插圖）測量 P2 發射的相干時間，發現在線寬變窄的功率范圍內，相干時間出現峰值（圖 2c），因相干時間與線寬成反比，該結果直接證實了線寬變窄現象的存在（圖 2d 為激子 - 激子排斥作用導致非均勻展寬減弱的示意圖）。

圖2：激子相互作用的時間相干性探測。2a: 器件1的功率依賴性光致發光(PL)光譜。低能量和高能量莫爾層間激子分別標記為P1和P2。2b: P2發射譜線的線寬與激發功率關系圖。插圖：730納米波長（34微瓦功率）激發下的擬合光致發光光譜。2c: P2發射的相干時間與激發功率關系圖。插圖：時間相干性測量裝置示意圖。2d：通過激子-激子排斥作用實現非均勻展寬減弱的示意圖。

      在恒定激發功率（約100微瓦）和5K至72K溫度變化下，光致發光光譜呈現紅移現象（圖3a），源于溫度誘導的帶隙變化。隨著溫度升高，線寬凹陷逐漸減小， 50K時消失（圖3b）。該現象機制為：非均勻線寬縮減依賴于無序勢能最低點處激子極化激元（IX）的聚集，其聚集程度由激子極化激元密度和遷移率決定。5K至72K溫區內，PL 強度和功率飽和曲線相對穩定，表明層間激子密度變化可忽略，因此溫度依賴性主要由激子遷移率隨溫度升高而降低所致。團隊建立考慮莫爾激子遷移率溫度依賴性的理論模型，與實驗數據高度吻合（圖 3b），進一步驗證了該物理機制。

圖3 線寬縮窄的溫度依賴性。3a：器件1的PL光譜隨溫度變化關系。所用激發功率約為100微瓦。3b: 不同溫度下的線寬與功率關系圖。圖中的點與線分別代表實驗數據和理論模型的擬合結果。陰影區域表示通過光致發光光譜的雙峰高斯擬合獲得的線寬不確定度。

       本研究使用的低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100（圖x）是一款干式閉循環低溫強磁場恒溫器。它憑借超卓特性，在本研究及眾多前沿科研領域發揮著不可替代的作用。系統可提供1.8K到室溫的變溫環境，震動噪音極低。其采用全自動控溫，通過觸屏即可輕松控制溫度與磁體。在磁場配置方面，可選擇9T、12T以及矢量磁體，以滿足不同實驗的磁場需求。頂部進樣的設計，可快速換樣，有效提高了實驗效率；目前，attoDRY2100已在國內外眾多課題組廣泛應用于量子通信、量子點發光、半導體材料、二維材料等研究領域。針對典型實驗需求，該產品設計了幾種標準顯微鏡方案方便用戶進行拉曼、熒光等常見的測量手段對材料進行光-電-磁物理性質的變溫與變磁場環境測量。

圖4. 低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100，可以選配低溫拉曼顯微鏡，低溫AFM，低溫雙軸旋轉臺等配置。

attocube低震動無液氦磁體與恒溫器

      低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100 已經在北京大學，半導體所，清華大學，南京大學，復旦大學等單位順利運行，持續助力各個課題組的科研工作。圖5為常見的的低溫強磁場拉曼顯微鏡，該系統集成成熟拉曼顯微鏡，配置attocube低溫消色差物鏡以及納米精度位移臺，可以實現對常見二維材料，量子點，納米線等微納尺度材料的低溫拉曼，熒光光譜，光電流等光電磁學性質測量。2024年3月，德國attocube公司推出了用于超靈敏SPM測量的全新超低振動低溫恒溫器attoDRY2200。該系統已經在英國，德國，中國等國家進行安裝與運行，助力全球用戶進行NV色心成像研究。

圖5：常見配置-低溫強磁場拉曼顯微鏡。

attoDRY2100主要技術特點：

? 超低振動、基于脈沖管的閉環低溫恒溫器，專為掃描探針顯微鏡應用而設計

? 磁場范圍：0~9T ( 可選12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體等)

? 寬溫度范圍：1.8 K~300 K

? 通過 eNSPIRE 電子設備進行自動化控制，實時繪圖，多功能接口

? 可選顯微鏡：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接觸式與非接觸式）, CFM

? 樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

? 掃描范圍: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K

? 商業化探針

? 可集成升級 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能

?全新升級款：用于超靈敏SPM測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200

圖6：用于超靈敏 SPM 測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200

低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100 部分發表文獻：

• Xing DING, et al. High-efficiency single-photon source above the loss-tolerant threshold for efficient linear optical quantum computing. Nature Photonics,  19, 387–391 (2025)

• Xiaodong XU, et al. Ferromagnetism and topology of the higher flat band in a fractional Chern insulator. Nature Physics, 21, 549–555 (2025)

• Kin Fai Mak, et al. Correlated states controlled by a tunable van Hove singularity in moiré WSe₂ bilayers. Nature Communications 16, : 1959 (2025)

• Qinghai TAN, et al. Enhanced coherence from correlated states in WSe₂/MoS₂ moiré heterobilayer. Nature Communications 16, : 4518 (2025)

• Yu YE, et al. Probing the anomalous Hall transport and magnetic reversal of quasi-two-dimensional antiferromagnet Co_1/3NbS₂. Nature Communications 16, : 4465 (2025)

• Yu YE, et al. Multi-parameter control of photodetection in van der Waals magnet CrSBr.Light: Science & Applications, 14: 67 (2025)

• Yihua WANG, et al.Direct observation of chiral edge current at zero magnetic field in a magnetic topological insulator. Nature Communications 16, : 963 (2025)

• Zhiliang YE, et al. Resolving polarization switching pathways of sliding ferroelectricity in trilayer 3R-MoS₂. Nature Nanotechnology, 2025

• Xuefeng WANG, et al. Large Anomalous Hall Effect in a Noncoplanar Magnetic Heterostructure. Adv. Funct. Mater. 2025, 2422040

• Zhihai CHENG, et al. The First Molecular Ferroelectric Mott Insulator. Adv. Mater. 2025, 2414560

低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY 部分國內用戶單位：