莫尔超晶格，Nature Materials！

米测MeLab

2025-03-10

研究背景

莫尔超晶格是由不同层次的二维材料通过特定角度错配形成的人工结构，因其在量子多体物理研究中的潜力，逐渐应用于量子模拟等领域。与传统的二维材料相比，莫尔超晶格展现出独特的电子结构和相变特性，尤其是在过渡金属硫属化物（TMD）异质结构中，它们提供了强关联电子态，如莫特绝缘体、广义维格纳晶体和分数量子霍尔绝缘体等。这些优异特性使莫尔超晶格成为研究量子多体效应的理想平台。

然而，莫尔超晶格在量子相的相干性和动力学特性方面仍存在许多未解的挑战，尤其是在光激发莫尔激子的情况下，如何理解激子之间的相互作用、耗散效应以及量子相变的动态演化是当前研究的热点。

鉴于此，普渡大学黄丽白团队、华盛顿大学许晓栋教授以及亚琛工业大学Dante M. Kennes教授合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Frozen non-equilibrium dynamics of exciton Mott insulators in moiré superlattices”的最新论文。第一作者邓时滨目前为南开大学副教授。该团队通过设计和制备了过渡金属硫属化物（TMD）基莫尔超晶格，并利用瞬态光致发光（PL）和超快反射显微技术，成功实现了对莫尔激子非平衡相变的成像。这项研究揭示了强长程偶极斥力如何导致莫特绝缘体相的动力学冻结，并发现这种冻结现象能够持续超过70纳秒。    

研究表明，莫尔激子不仅具有强烈的玻色–玻色相互作用，还表现出类似于超冷气体中的量子效应，进一步推动了莫尔超晶格在量子模拟和多体物理中的应用潜力。通过这一研究，研究团队不仅获得了莫尔激子在低温下的动态特性，还为将来利用这些系统进行量子纠缠与去相干的控制方法提供了理论依据。

研究亮点

（1）实验首次在WS₂–WSe₂异质结构中观察到不可压缩的莫特绝缘激子相，并成功通过瞬态光致发光（PL）和超快反射显微技术成像了莫尔激子的非平衡量子输运过程。

（2）实验通过结合实验和理论研究，揭示了莫尔激子间长程偶极斥力导致莫特绝缘相的动力学冻结。研究发现，由于强斥力作用，莫特绝缘体相的激子在超过70纳秒的时间尺度上表现出冻结的动力学。    

（3）通过与超冷气体体系的对比，实验结果展示了莫尔激子作为一个具有高度相干性的多体系统，展现出类似于超冷气体的动力学特性。该研究挑战了传统的斥力使粒子远离的理解，表明强斥力反而能够束缚激子的动态。

（4）实验结果还表明，莫尔激子在低温下满足斥力大于系统无序和涨落的条件，这使得它们能够表现出类似超冷气体的量子效应，为未来在莫尔超晶格中实现量子模拟提供了新的研究路径。

图文解读

图1: 玻色-哈伯德扩展模型实现的莫尔激子。

图2:莫特绝缘体相的动力学。

图3:通过偶极排斥相互作用，冻结莫特绝缘体相中的激子运动。

图4:混合激子-电子莫特绝缘体相的动力学。

结论展望

本研究展示了时间分辨光学显微技术在可视化莫尔超晶格中非平衡激子相变动力学中的应用。通过这些方法，研究者成功地在WS₂–WSe₂异质结构中，在纳秒时间尺度上观察到了不可压缩的玻色莫特绝缘体相的出现。通过比较这些激子态的输运动力学，研究者能够辨别长程斥力偶极相互作用在稳定莫特绝缘体相中的作用。这些由于斥力偶极相互作用导致的冻结动力学结果挑战了传统的观点，即斥力使粒子远离，而引力将它们吸引在一起。这个明显的悖论可以通过考虑激子在周期性莫尔势中的量子特性来解释。    

激子的色散关系将激子动量与能量联系在一起，体现为莫尔带的形式。对于足够深的莫尔势，带变得平坦，最低能带与第二能带之间能量上有分离。例如，在1°扭曲的WS₂–WSe₂异质双层中，预测有18 meV的能隙。莫尔平带之间的能隙表明，并非所有的动能值对激子的动力学来说都是“允许”的。只有在没有其他耗散通道来吸收过剩能量的情况下，这导致了一个情形，其中多余的势能可能会落入能量隙中，从而禁止其转化为动能。

研究者的研究解决了一个开放性问题，关于激子准粒子量子相的稳健性。尽管激子可以被视为固态中的人工原子，但它们本质上与涨落和无序耦合。在具有周期性势的封闭量子多体系统中，引入过剩能量的斥力相互作用能够有效地“冻结”系统的动力学，类似于能量不足时的情形。

迄今为止，冷气体（其固有的时间尺度为毫秒）是唯一展示这一现象的完整量子系统。作为高度相干的系统，冷气体非常适合作为量子模拟器来研究量子多体动力学。研究者的研究将莫尔激子引入纳秒时间尺度，作为另一种可以观察到类似量子多体动力学的系统，拓宽了研究者对复杂固态材料中量子相干性的理解。莫尔激子还为研究驱动-耗散相变提供了新的机会。例如，探索是否可以采用类似于冷气体和超导量子比特中的储备工程方法来对抗种群损失，从而进一步稳定莫特绝缘体相，将是一个有趣的方向。

原文详情：

Deng, S., Park, H., Reimann, J. et al. Frozen non-equilibrium dynamics of exciton Mott insulators in moiré superlattices. Nat. Mater. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02135-8