Nature Communications：调控关联电子实现莫尔激子扩散率异常增强- 大数跨境

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Nature Communications：调控关联电子实现莫尔激子扩散率异常增强

两江科技评论

2025-12-23

导读：近日，卡内基梅隆大学史夙飞教授课题组联合多家科研单位，在过渡金属二硫族化合物（TMDC）莫尔超晶格异质结中，实现了对莫尔激子扩散行为的主动调控。

欢迎课题组投递中文宣传稿，投稿方式见文末

导读

近日，卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）史夙飞教授课题组联合多家科研单位，在过渡金属二硫族化合物（TMDC）莫尔超晶格异质结中，实现了对莫尔激子扩散行为的主动调控。研究团队在角度对齐的 WS₂/WSe₂异质结中，通过双栅电调精确控制电子填充和关联电子态，直接测量了层间莫尔激子的扩散长度与扩散率。

研究发现：当电子在莫尔势阱中形成莫特绝缘体（整数填充）时，强烈的电子–激子排斥作用会使层间激子发光能量显著蓝移，同时有效减弱莫尔势对激子的束缚；而在分数填充条件下，电子形成广义维格纳晶体（generalized Wigner crystal）时，激子扩散则受到明显抑制。该工作展示了一种通过调控“关联电子——激子相互作用”来工程化控制激子输运的新思路，为可调谐激子器件的设计以及玻色–费米混合体系中新奇量子现象的探索提供了重要参考。相关成果以‘Anomalously enhanced diffusivity of moiré excitons via manipulating the interplay with correlated electrons’为题，发表于《Nature Communications》。

研究背景

在近 0° 或 60° 角度对齐的 TMDC 异质结中，由于晶格失配和扭转效应，会产生周期远大于原胞尺度的莫尔（moiré）超晶格势能。这种莫尔势不仅能够形成电子平带并诱导强关联电子态（如莫特绝缘体、维格纳晶体等），也会将激子局域在莫尔势阱中，从而显著改变激子的能谱和动力学行为。

激子扩散（或扩散率）是衡量激子输运能力和器件应用潜力的关键物理量，但在莫尔体系中，激子往往受到势阱强烈束缚，其输运行为难以有效调控。与此同时，具有电偶极矩的层间激子作为复合玻色子，与同一体系中的费米载流子（电子或空穴）之间存在强库仑相互作用，这使得“以关联载流子为调控旋钮操纵激子输运”成为一种可行的物理路径。

研究亮点

在这项研究中，团队选取角度对齐的 WS₂/WSe₂莫尔超晶格异质结，并采用双栅结构实现对载流子密度和垂直电场的独立调控，从而在同一器件中连续调节电子态，从费米液体、莫特绝缘体到分数填充下的广义维格纳晶体。研究的核心目标在于定量揭示：不同关联电子态如何通过电子–激子相互作用，重塑莫尔激子的有效势能，并最终影响其扩散行为。

实验中，研究人员利用空间分辨光致发光（PL）成像技术测量激子扩散过程。在低温条件下，通过连续激光局域激发层间激子，记录发光光斑相对于激光光斑的空间展宽，从而提取激子的扩散长度；结合时间分辨光致发光（TRPL）测得的激子寿命，进一步获得扩散率随电子填充因子（即每个莫尔晶胞中的电子数）变化的定量关系。通过这种“直接测量扩散并同步追踪寿命”的策略，研究避免了仅依据发光强弱或谱线展宽等间接信号来推断激子输运行为所带来的不确定性。

实验显示，当电子填充达到整数 n = 1 并形成莫特绝缘体时，层间激子 PL 能量出现显著蓝移，体现出强烈的电子—激子排斥作用；而当填充因子进一步超过莫特态（n > 1）时，激子能量继续蓝移并“抬升”到更高能区。这些排斥作用可以等效地减弱莫尔势阱对激子的束缚，使激子更易在晶格间迁移。由此，激子扩散率在 n > 1 区域出现异常增强，相比电中性（n ≈ 0）状态最高可提升约两个数量级（根据器件不同为几十到几百倍）。

与上述增强效应形成鲜明对比的是，在分数填充（例如 n = 1/3 等）条件下，电子会局域化并形成周期性排列的广义维格纳晶体。此时，电子的空间有序与局域化会改变激子的散射与背散射过程，导致激子扩散率被明显抑制。研究还指出，分数填充附近常伴随较长的激子寿命，因此仅观察扩散长度可能低估输运受抑的程度；只有结合寿命信息并计算扩散率，才能更清晰地区分“寿命变长”与“真实输运变慢”各自的贡献。