中国科学家发现了里德堡莫尔激子，为量子处理和量子模拟开拓新方向

发布时间：2023-08-23 10:10:16 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结构市场所桎梏和调控。

借助于小

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结构市场所桎梏和调控。

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，在量子测量、量子模拟和量子计算等方面都有着潜在应用空间。

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。

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。因此相应的，近年来基于里德堡原子的高能物理的量子模拟与量子计算越来越多的受到了人们的广泛关注。

当许杨课题组使用这种方法探测小角度转角石墨烯时，他们发现了一个有趣的现象：2s 的里德堡激子态（尺寸约为7 纳米）在随栅压调控中表现出显著的红移，这表明里德堡激子的能量有所降低，因此很有可能处于束缚状态。

此外，里德堡激子的能量红移，还会随转角大小变化而改变。在发现这一意外现象之后，也促成了袁声军和许杨的第一次合作。

袁声军说：”在和大家讨论之后，我意识到这是一个既有趣又有难度的问题。”

原因在于，他们需要针对庞大而复杂的原子体系，进行精确的电子结构计算。例如，实验样品中 0.6° 转角石墨烯莫尔超晶格的原胞包含三万多个原子，远远超过第一性原理计算的常规范围。

通常采用的解决途径是基于固定的状态的薛定谔方程，然后做相空间的对称性变换以得到所需的哈密顿方程，这一方法的难度系数与系统规模呈第三方的关系。

同时，本次研究中采用的计算物理新方法，是在密度泛函理论框架下发展而来，故能将第一性原理计算扩展至数百万原子体系，进而基于含时演化方法开展大尺度的电学、光学、输运和等离子元性质的计算。

这种新的运算方式也能应用于分子动力学仿真，电子激发状态的描述、近似粒子的表示以及激子论等领域。

（编辑：汽车网）

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