研究背景

鉴于过渡金属二硫化物（TMD）异质结的发展，特别是由原子薄层构成的范德瓦尔斯异质结的崛起，科学家开始关注空间间接激子（IX），即层间激子的特性和潜力。IX是由电子和空穴在不同层之间形成的束缚态，由于它能够在长距离上传输的特性，使其成为实现量子激子系统和长程激子输运的理想候选。然而，IX在现有材料中的实现和特性仍然面临一些挑战和问题。

在传统的III-V族和II-VI族半导体异质结中，IX的寿命受限于其相对较低的结合能，通常不超过几十meV，限制了其在高温条件下的应用。此外，对于IX在复杂的moire超晶格中的行为和相互作用的理解仍不充分，这些超晶格通过原子重构和局部失配引入了额外的复杂性。因此，研究人员面临着探索高结合能IX在TMD异质结中的潜力以及解决材料和结构中存在的有序性和无序性的挑战。

为了解决这些问题，美国加利福尼亚大学圣迭戈分校（University of California，San Diego）L. V. Butov教授团队在MoSe₂/WSe₂异质结中进行了深入的研究。MoSe₂和WSe₂分别作为电子和空穴的层进行堆叠，并通过hBN层封装。这种层叠结构不仅保持了单层TMD的优异特性，还通过范德瓦尔斯堆叠引入了新的IX形成机制和特性。与此前的研究不同，本研究不需要施加外加电压或其他干预手段，而是通过光激发并测量激子发光强度的传播来评估IX的传输性质。

通过这项研究，研究团队展示了在MoSe₂/WSe₂异质结中IX的长程传输，其1/e衰减距离超过了100微米，远远超过了传统III-V族半导体中的表现。这种长程传输特性在低温下表现出色，但在高温（约10K以上）下消失，这提供了对IX量子简并和相变的深入理解。

此外，研究还观察到IX传输在密度增加时的非单调依赖，这与Bose–Hubbard理论在moire超晶格中的预测相吻合，展示了IX在强相互作用条件下的行为。以上成果在“Nature Photonics”期刊上发表了题为“Transport and localization of indirect excitons in a van der Waals heterostructure”的最新论文。

科学亮点

1）实验首次在MoSe₂/WSe₂异质结中观察到IX的长程传输现象。通过光致发光强度的传播分析，研究团队测量并确定IX的1/e衰减距离达到并超过100微米，这表明异质结中IX能够在非常长的距离上保持较高的传输效率和寿命。

2）随着温度升高至约10K以上，实验观察到IX的长程传输现象逐渐消失。这一结果揭示了温度对IX传输性质的显著影响，为理解和控制IX在实际应用中的稳定性和性能提供了重要线索。

3）随着IX密度的增加，研究团队观察到IX定位、长程传输和再定位的序列现象。这一发现不仅揭示了IX在复杂环境中的动态行为，还为理解并控制量子粒子在非均匀势能下的行为提供了实验验证。

图文解读

图1：通过与直接激子direct excitons，DXS共振的光学激发，实现了长程间接激子indirect excitons，IX传输。

图2.间接激子IX输运的激发功率和温度依赖性。

图3. 间接激子IX输运的激发功率和温度依赖性。

图 4：在共振和非共振激发下，间接激子IX输运随密度的变化。

科学启迪

本文的研究为理解和利用过渡金属二硫化物（TMD）异质结中空间间接激子（IX）的特性提供了重要的意义。首先，通过在MoSe₂/WSe₂异质结中观察到IX的长程传输，我们不仅证实了这些异质结在IX研究中的潜力，还展示了IX在高度周期性moire超晶格势能中的行为。这为在量子信息处理和量子计算中利用IX的长寿命和长程传输提供了实验支持和新思路。

其次，本文发现随着温度升高，IX的长程传输逐渐消失。这一发现提示了温度对IX传输特性的重要影响，为进一步研究IX在高温条件下的稳定性和控制提供了方向。这对于设计和优化IX相关的新型量子材料系统具有重要意义，尤其是在实现高温量子简并态方面。

此外，实验中观察到的IX在不同密度下的定位、长程传输和再定位现象，与Bose–Hubbard理论在moire超晶格中的预测相吻合。这为研究moire超晶格势能对IX行为的影响提供了实验验证，推动了在这一领域的理论和实验研究的进展。

原文详情：

Fowler-Gerace, L.H., Zhou, Z., Szwed, E.A. et al. Transport and localization of indirect excitons in a van der Waals heterostructure. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01435-w