范德瓦尔斯异质结构中的莫尔超晶格现已成为研究量子现象的有力工具和载体。该领域的研究也成为目前国际上的热门研究方向之一。近期，加利福尼亚大学伯克利分校（University of California, Berkeley）王枫团队利用超精准强磁场低温光学系统-OptiCool搭建了精密的低温光学测量系统，对范德瓦尔斯异质中的激子相关特性进行了系统研究并取得重要成果。相关成果在今年8月分别发表于Nature Physics^[1]和Nature^[2]上。

单层WSe₂和莫尔WS₂/WSe₂异质结中的关联层间激子绝缘体

该篇工作对由超薄hBN分隔的WSe₂单层和WS₂/WSe₂莫尔双层组成的双层异质结中相关层间激子绝缘体进行了观察研究。研究发现当空穴的密度为每个莫尔晶格位置一个时，莫尔WS₂/WSe₂双层具有莫特绝缘体状态。当电子被添加到WS₂/WSe₂莫尔双层中的Mott绝缘体中并且相同数量的空穴被注入到WSe₂单层中时，会出现一个新的层间激子绝缘体，其中WSe₂单层中的空穴和掺杂莫特绝缘体中的电子通过层间库仑相互作用结合在一起。层间激子绝缘体在WSe₂单层中空穴达到临界密度前是稳定的，当空穴数量超过临界密度时，层间激子就会解离。本文的研究表明了由于莫尔平带和较强层间电子相互作用之间的相互影响，在双层莫尔系统中实现量子相的可能性。

由WS₂/WSe₂ 莫尔双分子层和WSe₂单分子层组成的双层异质结示意图

双层的相关绝缘状态

范德华超晶格中层内电荷转移激子

人们发现过渡金属硫化物双层异质结形成的莫尔图案是用于研究非同寻常的关联电子相、新型磁学及有关的激子物理学现象的平台。目前人们虽然通过光学表征方法发现了新型莫尔激子态，但是对这种莫尔激子态的微观性质并不清楚，更多的依靠经验性的拟合模型。有鉴于此，加州大学伯克利分校王枫研究团队和Steven G. Louie研究团队通过大尺度第一性原理GW、Bethe -Salpeter计算并结合显微反射光谱，确定了WSe₂/WS₂莫尔超晶格中激子共振的性质，发现一系列通过常规模型无法发现的莫尔激子。计算结果给出了不同特征的莫尔激子，包括可调控的Wannier激子和以往未曾发现的层内电荷转移激子。作者通过莫尔激子不同共振形成的载流子密度和磁场响应变化的特点，证实了这些激子的存在。这项研究展示了过渡金属硫化物的莫尔超晶格能够形成非平凡的激子态，提出了通过设计特定空间特征的激发态来调节莫尔体系中的多体物理的新方法。

莫尔超晶格的重建

旋转排列的WSe2/WS2层内激子的光谱和性质

以上两个重要的科研工作中光学相关的测量是基于作者在超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool 系统上搭建的光谱学测量系统完成的。高质量的实验数据反映出了测试系统具有杰出的灵敏度和稳定性。

超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool

OptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精准全开放强磁场低温光学研究平台。系统拥有3.8英寸超大样品腔、双锥型劈裂磁体，可在超大空间为您提供高达±7T的磁场。多达7个侧面窗口、1个顶部超大窗口方便光线由各个方向引入样品腔，高度集成式的设计让您的样品在拥有低温磁场的同时摆脱大型低温系统的各种束缚。近期OptiCool又增加了新的选件，使得OptiCool的功能进一步增加，可以方便的应用于高压光谱和THz研究。

OptiCool技术特点：

▪  全干式系统：*无液氦系统，脉管制冷机。

▪  8个光学窗口：7个侧面窗口，1个顶部窗口

▪  超大磁场：±7T

▪  超低震动：<10 nm  峰-峰值

▪  超大空间：Φ89 mm×84 mm

▪  精准控温：1.7K~350K全温区精准控温

▪  新型磁体：同时满足超大磁场均匀区、大数值孔径的要求

▪  近工作距离选件：可选3 mm工作距离窗口，增透膜可选^New

▪  ZnSe窗口可用于THz研究^New

▪  气路选件：系统可以集成气路，便于使用气膜高压腔进行高压光学测量^New

▪  集成物镜：集成真空物镜、低温物镜、用户自定义物镜^New

▪  控制柜电隔离：为确保微弱信号样品的电学测量，避免信号微扰的可能性^New

▪  样品移动：可集成低温位移器^New

▪  光纤选件：系统可集成光纤通道^New

▪  底部窗口选件：可实现样品腔底部窗口，方面进行纵向的透射光学实验^New

参考文献：

[1]. Zhang, Z., Regan, E.C., Wang, D. et al. Correlated interlayer exciton insulator in heterostructures of monolayer WSe₂ and moiré WS₂/WSe₂. Nat. Phys. (2022). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01702-z

[2]. Naik, M.H., Regan, E.C., Zhang, Z. et al. Intralayer charge-transfer moiré excitons in van der Waals superlattices. Nature 609, 52–57 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04991-9