研究背景

Moiré模式是指由兩個或多個周期模板之間的干擾而產(chǎn)生的一種新的長尺度結(jié)構(gòu)。1874年，物理學家瑞利勛爵首次認識到moiré模式的科學和工程價值。此后，對moiré模式的研究促成了moiré技術的誕生，用于各種實際應用，例如精密測量和定位、自動化和應變測量。在凝聚態(tài)物理中，moiré模式(也稱為moiré超晶格)可以通過垂直堆疊兩個或多個二維(2D)層狀材料而形成，具有微小的扭曲角和/或輕微的晶格不匹配。在過去的十年中，moiré超晶格以前所未有的新現(xiàn)象和獨特的功能，改變了基礎固體物理，材料科學和工程的景觀，呈現(xiàn)出壯觀的外觀。二維(2D)層狀材料由于其電子、光子和光電特性而無法在塊狀材料中獲得，開創(chuàng)了基礎研究和技術創(chuàng)新的新時代。今天，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過2000種原子薄的2D材料，從寬帶隙絕緣體(如h-BN)、半導體(如MoS2)和極性金屬(如Ga)到超導體(如NbSe2)、鐵磁體(如CrI3)和量子自旋液體(如RuCl3)。值得注意的是，具有不同性質(zhì)的二維原子層可以堆疊在一起形成范德華(vdW)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，而不受傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中晶格匹配的限制。這使得有機會在一種終極合成量子材料中結(jié)合不同成分的最佳特性，從而實現(xiàn)許多以前不可能實現(xiàn)的電子、光子、磁性和拓撲功能。

有趣的是，幾何moiré超晶格的出現(xiàn)是由于組成二維原子層之間的干涉與輕微的晶格不匹配和/或小的旋轉(zhuǎn)扭曲。這個moiré超晶格引入了一個新的長度和能量尺度，并提供了一個平臺來設計帶結(jié)構(gòu)(包括單粒子狀態(tài)和集體激發(fā))和奇異量子現(xiàn)象的光-物質(zhì)相互作用。在魔法角扭曲雙層石墨烯(TBG)中相關絕緣態(tài)和非常規(guī)超導性的發(fā)現(xiàn)觸發(fā)下，在moiré超晶格中發(fā)現(xiàn)了大量令人興奮的電子、光學和光電特性，包括moiré激子、通用量子光源、軌道鐵磁性、Wigner晶體態(tài)、條紋相、拓撲多鐵序、玻色子激子晶體和智能紅外傳感。

研究成果

Moiré超晶格，人工量子材料，為探索全新的物理和設備架構(gòu)提供了廣泛的可能性。中科院物理所杜羅軍研究員、張廣宇研究員，芬蘭阿爾托大學孫志培教授合作介紹了新興的moiré光子學和光電子學的最新進展，包括但不限于moiré激子、三激子和極化激子;共振雜化激子;重構(gòu)的集體興奮;強中遠紅外光響應;太赫茲單光子探測;還有打破對稱性的光電子學。作者還討論了該領域未來的機遇和研究方向，例如開發(fā)先進的技術來探測單個moiré超級單體中的新興光子學和光電子學;探索新的鐵電、磁和多鐵moiré系統(tǒng);并利用外部自由度來設計moiré屬性，以實現(xiàn)令人興奮的物理和潛在的技術創(chuàng)新。相關研究工作以“Moiré photonics and optoelectronics”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Science》上。祝賀！

圖文速遞

本文綜述了新興的moiré光子學和光電子學的最新進展，如moiré中性和帶電激子、共振雜化激子、moiré極化激子、moiré相關電子態(tài)的涌現(xiàn)光學響應、重構(gòu)集體激勵、太赫茲單光子探測、強中遠紅外光響應、破對稱光電子學等。我們還展望了這一領域的主要挑戰(zhàn)和未來機遇，以及對潛在新技術創(chuàng)新的影響。我們特別關注moiré光子學和光電子學，目的是補充最近討論制造、相關電子態(tài)和激子物理的其他綜述。moiré超晶格的受控制造和直接可視化對于解鎖其有趣的電子和光學特性以及未來按需應用開發(fā)至關重要。一種自頂向下制備高質(zhì)量均質(zhì)層moiré超晶格的方法是“撕裂-疊加”技術。該技術基于確定性拾取和轉(zhuǎn)移，包括有選擇地拾取二維材料的一部分，然后將其轉(zhuǎn)移到剩余的部分上，該部分已按用戶設計的角度旋轉(zhuǎn)。由于兩個組成層最初具有完全相同的晶體取向，扭轉(zhuǎn)角可以用次度分辨率控制。通過預先確定二維材料的主要晶體方向，還可以通過確定性拾取和轉(zhuǎn)移技術制備具有可控扭轉(zhuǎn)角的moiré異質(zhì)結(jié)構(gòu)。到目前為止，我們已經(jīng)擁有了各種各樣的moiré homo和異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如扭曲過渡金屬二鹵族化物(TMDC)同工層，扭曲雙分子層CrI3， MoSe2/ WSe2和WS2/WSe2。值得注意的是，最近開發(fā)了一種自動機器人提取和轉(zhuǎn)移技術，能夠通過精心設計和角度控制快速制造moiré超晶格。我們設想，先進的機器人組裝，通過集成晶圓規(guī)模的2D材料生長，機器學習和計算機視覺算法，可以幫助實現(xiàn)moiré超晶格在光子學和光電子學方面的新物理和技術進步的全部潛力。

Moiré超晶格引入了比組成二維層的晶體周期性大得多的新的長度尺度潛力，為工程電子帶結(jié)構(gòu)提供了強大的策略，因此導致了大量涌現(xiàn)的量子現(xiàn)象。例如，長波長的moiré周期勢可以將電子帶結(jié)構(gòu)折疊成一個小布里因帶，從而形成平坦帶和豐富的相關態(tài)相圖，如非常規(guī)超導、軌道磁性、莫特絕緣體態(tài)和拓撲多鐵序。

當moiré超晶格遇到光時，它們?yōu)榘l(fā)現(xiàn)新興的光子和光電子現(xiàn)象和器件架構(gòu)提供了強大的平臺。2019年初，四個研究小組分別從實空間和動量空間的角度論證了moiré勢對過渡金屬二元異質(zhì)結(jié)構(gòu)激子的顯著影響。通過使用moiré超晶格提供的新自由度為工程激子帶結(jié)構(gòu)和光物質(zhì)相互作用的眾多應用提供了可能性，例如通用量子光源，新的量子多體物理學和長期尋求的玻色子晶體。moiré激子研究的這些突破引起了人們對moiré光子學和光電子學的極大興趣。的確，在過去的幾年里，人們以前所未有的速度見證了moiré光子和光電子性質(zhì)的豐富多樣性——這些性質(zhì)涵蓋了集體moiré激發(fā)、moiré極化激元、moiré相關電子態(tài)的光子學、巨大的中遠紅外光響應、可調(diào)諧的體光伏效應等等。值得注意的是，moiré體光伏效應是超強的，比以前的演示要大得多，使智能紅外傳感器的演示僅具有亞波長足跡，可能用于下一代非線性光子學和光電子學。

結(jié)論與展望

在這項研究中，目前，moiré光子學和光電子學的所有測量都是在遠場極限下進行的，收集了來自10,000多個moiré細胞的信號。因此，開發(fā)先進的技術，可以同時探測單個moiré超晶胞的光子和光電特性，對于促進我們的理解是有價值的。同時，目前moiré光子學和光電子學的研究工作主要集中在扭曲石墨烯和扭曲過渡金屬二鹵屬化合物上。探索新的moiré系統(tǒng)，如由二維鐵電、磁或多鐵晶體組成的moiré超晶格，以及涉及兩個或多個單個moiré超晶格的moiré器件，將開啟moiré光子學和光電子學的研究方向。此外，通過外部手段(例如，電場或磁場、應變和超快光激發(fā))設計moiré光子學和光電子學有可能引發(fā)下一個技術創(chuàng)新的“淘金熱”(例如，量子非線性光學、超緊湊光調(diào)制器和太赫茲單光子器件)。我們剛剛開始探索moiré光子學和光電子學的道路，還會有更多的驚喜。此外，在層內(nèi)激子具有高量子效率和對周圍介電無序性相對較低的敏感性的情況下，空間有序的moiré激子陣列可以作為超亮量子光源。特別是，moiré量子光源顯示出高度的可編程性，其偏振配置和波長由光泵浦、電場和應變控制。這種可編程量子光源將為光學玻色子相干量子現(xiàn)象的探索和各種量子技術的發(fā)展提供堅實的基礎，如偏振糾纏光子對的產(chǎn)生、迪克超輻射、自旋光子界面、量子信息處理、加密和傳感。此外，moiré超晶格通過與其他光學系統(tǒng)(如光學腔、諧振腔、硅基波導和光纖)集成，無疑將為眾多新興的光子和光電子應用(如量子非線性光學、激光、成像陣列、調(diào)制器、開關和偏振器件)描繪出一個光明的前景。05
文獻
文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0014.