清华大学物理系徐勇、段文晖课题组合作在莫尔激子研究中取得最新进展

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近年来，莫尔激子（Moiré excitons）作为一种新兴的量子物态，因其独特的特性和可调控的转角，备受凝聚态物理和材料科学领域的关注。它是由二维材料莫尔势调制的电子-空穴束缚态，常见于双层过渡金属二硫化物（TMDs）等具有转角结构的材料体系。这些激子态不仅保留了单层TMD材料激子的部分特性，例如自旋-谷锁定，还展现出转角依赖性，包括可调控的光学性质和电子行为，使其在量子计算、光电器件和信息存储等领域具有广阔的应用前景。

（a）莫尔材料中的激子示意图（b）谷间散射机制对于谷极化的影响示意图

然而，理论计算中的莫尔激子研究面临挑战：莫尔超晶格的巨大原胞和复杂的多自由度耦合，使得基于第一性原理的激子研究需要海量计算资源。

为克服这一难题，清华大学物理系段文晖教授、徐勇教授课题组，联合北京航空航天大学汤沛哲教授课题组和浙江大学常凯教授课题组，采用电子连续模型结合激子贝特-萨佩特方程（Bethe-Salpeter equation, BSE）的方法，以WSe2/WS2异质结为例，深入研究了层内莫尔激子的多方面性质。此方法有效解决了以往连续模型无法准确描述WSe2/WS2转角异质结中电荷转移莫尔激子的问题，其结果与大规模GW-BSE计算结果定性吻合，并以较低的计算成本高效处理了库伦交换作用。通过调节扭转角度，研究团队考察了层内莫尔激子的结合能、玻尔半径、三重态-单重态能级劈裂以及不同能谷间耦合强度的变化。

研究发现，扭转角度可有效调控莫尔谷极化和其他谷电子学特性，转角依赖的库伦交换相互作用至关重要。尤其值得关注的是，研究表明，小角度扭转TMDs中，光学实验可实现的谷极化率可超过90%，为未来谷电子学应用提供了强有力支持。这些成果不仅加深了对莫尔激子的理解，也为光电莫尔器件的研发提供了新的方向。

该研究成果以“范德华超晶格层内莫尔激子的扭角相关谷极化”（Twist-Angle-Dependent Valley Polarization of Intralayer Moiré Excitons in van der Waals Superlattices）为题，于1月17日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。北京航空航天大学汤沛哲教授和清华大学徐勇教授为论文通讯作者，清华大学物理系2021级博士生王任琦为第一作者。 研究得到国家重点基础研发计划、国家自然科学基金、量子科学技术创新计划、天津国家超算中心等支持。

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