中国科学家发现了里德堡莫尔激子，为量子处理与量子模拟开辟新方向

发布时间：2023-08-23 09:43:23 所属栏目：动态来源：

导读：日前，武汉大学教授袁声军课题组与中国科学院物理研究所许杨课题组联合发现了里德堡莫尔激子，即在二维半导体材料 WSe2 中发现一种里德堡激子态。这种里德堡激子态能被莫尔超晶格市场所束缚和调控。

借助于小角度

日前，武汉大学教授袁声军课题组与中国科学院物理研究所许杨课题组联合发现了里德堡莫尔激子，即在二维半导体材料 WSe2 中发现一种里德堡激子态。这种里德堡激子态能被莫尔超晶格市场所束缚和调控。

借助于小角度转角石墨烯，该团队形成了莫尔超晶格式，从而可以束缚和调控单层WSe2中的激子，最终得到”巨人”版本的里德堡莫尔激子。

从近年来飞速发展的里德堡冷原子体系来看，此次发现的里德堡莫尔激子，在量子精确的测量、可靠的量子模拟和非线性的量子计算等方面都有着难以估量的潜在价值的应用，毫不夸张地说空间。

日前，相关论文以《发现里德堡莫尔激子》（Observation of Rydberg moiré excitons）为题发在 Science 上 [1]，中国科学院物理所博士研究生胡倩颖和武汉大学博士后詹真为共同一作，武汉大学教授袁声军和中国科学院物理所特聘研究员许杨担任共同通讯作者。

激子，是一种由电子-空穴组成的准粒子，它是半导体材料在光激发之下所形成的。里德堡激子，则是激子中的”巨人”版本，类似于氢原子模型中的高激发态。

里德堡激子的空间分布跨度比较大，有着较大的电偶极矩，对于非常微弱的外场也能产生较强的响应。

近年来在冷原子研究领域，针对里德堡原子的囚禁技术和调控技术发展十分迅速。与其相应的，近年来基于里德堡原子的高速运动的量子模拟与高功率的量子计算相结合受到了人们的广泛关注。

常规求解方法通常是基于定态薛定谔方程，需要对哈密顿量进行对角化运算，其计算复杂度和体系大小的三次方成正比。

巧的是，袁声军课题组此前曾发展出一套低标度的计算物理方法 DFPM（Density Functional Propagation Method）[2]，完美绕开了常规计算中的对角化过程，可以直接用于上述问题的求解。

随后，他们很快就找到能对实验现象加以解释的关键点：即转角石墨烯中周期性的莫尔超晶格会自发重构，并且在转角较小的时候，空间电荷的分布呈现出高度局域化的特点。

同时，莫尔周期的大小与转角的大小近似于成反比。因此，可以通过精确地控制物体的转角反射面的大小，也就是说让莫尔周期刚好落在纳米级的区间，进而把小块的里德堡等离子体激子装在里面。

期间所使用的计算物理方法，原本是袁声军团队为了解决另一个问题而开发的，但却恰好也适用于本次实验体系的模拟。

“说来话长，2016 年底回国之后，我设定了两个新目标：一个是基于我在国外工作发展的 TBPM（Tight-binding Propagation Method）方法开发计算软件 TBPLaS；另一个则是发展新方法 DFPM。”袁声军说。

基于DFPM的方法，袁声军课题组则实现了从哈密顿量到电子空间密度的无对角化自洽计算，从而能将密度泛函理论计算推广至百万原子体系。

DFPM 方法的核心在于，把量子力学中求解定态薛定谔方程的问题，转化为求解含时薛定谔方程的问题。借此绕开对角化的过程，从而把计算复杂度从O（N3）降低为O（N）。

这种变化能够带来巨大提升。举例来说，假如体系大小变为一百倍，常规方法的资源消耗将变为一百万倍，但采用 DFPM 方法只需要提升一百倍。

而计算物理学的核心在于研究新的数值方法，对于一些系统性难题，可能需要搭建一个全新的方法体系。期间，既要保证其科学性和准确性，又要保证新方法可以大幅超越旧方法。

（编辑：汽车网）

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