远不止表面所见：揭示Phason的量子潜力，基于Moiré图案的研究
主要发现
- 研究人员发现，在晶格中发现的低温准粒子 phason 能够使层间激子在极低的温度下移动，而原本在这样的温度下运动应该停止。
- 除了为基础材料科学知识做出贡献外，这项发现还有助于提高量子技术的稳定性，例如将激子用作量子比特。
- Molecular Foundry 的 Nanostructures 成像与操控设备为该研究提供了支持。
当你堆叠并旋转两张具有规则重复形状的图像时，就会出现 Moiré 图案，将简单的正方形或三角形图案变成一种时髦的波浪图案，以一种令人愉悦的光学方式在组合图像中移动。
类似地，堆叠亚纳米厚度的半导体材料单层，即过渡金属二硫化物 (TMDs)，可以产生 Moiré 势，并且层间可能会出现新的电子和光电特性。
Moiré 势是一种具有规则重复峰和谷的“势能景观”。 以前人们认为它们是静止的。 但劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的 Molecular Foundry 的一个研究团队发现，TMDs 堆叠时出现的 Moiré 势有一些不同寻常之处：它们一直在移动，即使在低温下也是如此。
他们的发现为材料科学的基础知识做出了贡献。 由于控制 Moiré 势有助于减轻量子比特和传感器中的退相干，因此它也有望提高量子技术的稳定性。 当干扰导致量子态及其信息丢失时，就会发生退相干。 研究人员在 ACS Nano 上发表了他们的研究结果。这项研究是 Berkeley Lab 在量子研究生态系统中开展 更广泛的努力 的一部分，旨在通过从理论到应用，制造和测试基于量子的设备并开发软件和算法，来推进量子信息系统。
该研究由 Antonio Rossi 领导，他曾是 Molecular Foundry 的员工科学家 Alex Weber-Bargioni 的博士后学者。 Rossi 回到 Berkeley Lab 与 Molecular Foundry 的员工科学家 Archana Raja 合作，并利用 Foundry 的 Nanostructures 成像与操控设备中的工具。
Moiré 海景中的意外移动性
Raja 的实验室专注于在低于 -150°C 的温度下，使用超快激光器和光学光谱来表征 2D 材料。 用绿色脉冲激光激发层状 TMD 样品会激发电子，使其从基态跃迁到激发态。 激发的电子留下一个带正电的“空穴”，从而形成电子-空穴对或激子。
已知激子在单层材料中形成。 然而，堆叠的双层系统中的激子会分离； 电子移动到二硫化钨层中，而带正电的空穴则留在二硒化钨层中。 在材料界，这些特殊的层间跳跃激子被称为“层间激子 (interlayer excitons)”或 IXs。
“你会期望 Moiré 的低谷起到陷阱的作用，”Rossi 说。“所以一旦激子进入那里，它基本上就被困住了。 这就像坐在（山谷里），你只能看到周围的山。 你不会移动。”
然而，该团队注意到，IXs 探索了 Moiré 的海景，即使它们被困在其中。“使这种 Moiré 势移动所需的能量非常少，所以 Moiré 就像暴风雨中的大海一样四处移动，”Rossi 解释说。
“我们表明，即使在非常低的温度下，能量和信息也没有你想象的那么局部化。 发生这种情况是因为 Moiré 图案的一种特殊的‘机械特性’，”Raja 说。“在不同的温度下，有不同的方式来传输能量和信息。 这是一种新的方法。”
Raja 团队的博士后研究员 Jonas Zipfel 与 Rossi 合作，使他们的测量自动化，以更好地了解激子的运动。“Jonas 的工作使我们能够无缝地收集发光光谱、图像和寿命（数据），所有这些都使我们能够提取激子的扩散率（运动），”Raja 说。
为了能够观察到运动中的激子，伦敦帝国学院的 Johannes Lischner 和 Indrajit Maity 使用模拟来获得 Moiré 势“海景”的快照。 他们想看看它在不同时间的表现如何。
通过与理论家 Lischner 和 Maity 合作，研究团队得出了对其观察结果的唯一合乎逻辑的解释：Moiré 势本身必须在移动。
捕捉运动中的低温准粒子
研究人员提出，一种名为 phason 的低温准粒子使 IX 即使在被困住的情况下也能移动。 准粒子是晶格内的能量量子； 它具有动量和位置，并且通常表现得像粒子。 Phason 是被认为天然存在于 Moiré 势中的准粒子。
“你有（层间）激子冲浪 Moiré 并四处移动，”Rossi 说。 他认为 phason 以类似于冲浪板允许冲浪者捕捉海浪的方式来调节运动。“它在某种程度上携带了激子。”
Rossi 和他的团队发现，层间激子在 Moiré 势内的运动与角度和温度有关。 当 TMD 层平行时（当堆叠层的分子在同一方向上对齐时），它们的运动最大。
出乎意料的是，随着系统温度接近零，层间激子的运动逐渐减小到一个略高于零的数字，而不是完全停止。 虽然这个数字很小，但它很重要。
Rossi 解释说：“令人惊讶的是，这种运动即使在一切都应该冻结的极低温度下也会发生。”
他的下一步计划包括研究扭曲双层石墨烯中的超导性，这种超导性可能由 phason 准粒子引起。 Rossi 目前正在意大利技术学院 NEST 的纳米技术创新中心进行研究。
Raja 有兴趣探索不同的半导体和 Moiré 系统。 她还对直接对 phason 进行成像的可能性很感兴趣。 她说：“我们这里的证据是通过（层间）激子的扩散，但我们还没有真正当场抓住 phason。”
Molecular Foundry 是 Berkeley Lab 的 DOE 科学办公室用户设施。 这项工作得到了 DOE 科学办公室的部分支持。
劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 致力于以发现科学和丰富可靠能源供应解决方案为重点的突破性研究。 该实验室的专业知识涵盖材料、化学、物理、生物学、地球和环境科学、数学和计算。 来自世界各地的研究人员依靠该实验室世界一流的科学设施进行自己的开创性研究。 Berkeley Lab 成立于 1931 年，秉承“最大的问题最好由团队解决”的信念，Berkeley Lab 及其科学家获得了 16 项诺贝尔奖。 Berkeley Lab 是一个多项目国家实验室，由加州大学为美国能源部科学办公室管理。
DOE 科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并且正在努力解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。 如需了解更多信息，请访问 energy.gov/science。
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