中南大學在莫爾超晶格量子器件研究領域取得新成果

　　近日, 中南大學物理與電子學院教授劉艷平、何軍與美國加州州立大學北嶺分校Gang Lu、澳大利亞悉尼大學劉宗文以及湖南大學潘安練、段曦東教授等國內外學者合作，在《先進材料》（Advanced Materials)上發表題為“TMDCs莫爾超晶格層間耦合效應的量子調制”的研究論文。中南大學物理與電子學院為該項研究成果的第一完成單位，博士后鄭海紅博士為論文第一作者，劉艷平教授為論文的通訊作者。

　　在范德瓦爾斯材料中，層間扭曲或晶格失配可以形成莫爾超晶格(Moiré superlattices)，其周期隨著扭曲角的變化而連續變化。莫爾超晶格可以產生空間周期性的莫爾勢，改變材料的電子和能帶結構，從而產生強相關聯的量子現象，為研究多體系統的量子模擬提供了可能，促進了量子光學器件的發展。

　　二維莫爾超晶格為探索新的強相關聯的物理現象提供了一個強大的平臺，這些現象都取決于界面層間耦合相關的莫爾勢。

　　目前，莫爾超晶格主要通過機械剝離技術和人工堆疊方法制備。然而，人工轉移方法不可避免地造成由不純界面引發的層間耦合在空間上的不均勻性，阻礙了對周期性莫爾超晶格物理性質及其應用的深入理解。因此，直接生長具有均勻的層間耦合和最小晶格重構的莫爾超晶格仍然是一個挑戰，對莫爾超晶格的應用構成嚴重限制。

　　針對這一難題，該研究創新性通過Sn原子輔助生長克服堆積自由能，并使用CVD生長技術直接制備了不同扭角的WSe2莫爾超晶格。利用低頻拉曼散射光譜驗證了其均勻性，證明了強的界面耦合。扭曲角為1.5°的CVD生長的莫爾結構的莫爾勢比人工堆疊的更深(增加了155%)，表明界面耦合可以調節莫爾勢的深度。第一性原理模擬揭示了莫爾超晶格中的平帶現象，為莫爾激子的產生提供了理論基礎。

　　本研究成果提出了一種合成二維莫爾超晶格的新方法，并為設計和優化其莫爾性能提供了策略，這種新策略將有望用于量子計算、量子通訊、新型超導體等領域。

　　研究者通過Sn原子輔助下克服堆積自由能，采用CVD生長技術制備了具有不同扭曲角的WSe2莫爾超晶格。受訪者 供圖

　　據悉，“低維物理與量子器件”是中南大學物理與電子學院特色研究方向和“十四五”規劃重點發展支持方向之一。此項研究得到了國家自然科學基金面上項目、湖南省自然科學基金杰出青年項目、湖南省重點研發項目、湖南省芙蓉學者特聘教授基金、中南大學創新驅動青年團隊項目、中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室自主研究課題、澳大利亞ARC Discovery、博士后面上項目等多個項目的支持，并獲得中南大學高性能計算公共平臺在材料結構計算等方面提供的有力支持。