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研究背景
随着二维材料领域的发展，人们对于激子物理的兴趣日益增加。激子是一种电子-空穴对，由于它们之间的库仑相互作用而结合在一起。这些中性的玻色子准粒子对于光学特性具有重要影响，并且在光电子学和光子学领域具有巨大的潜力。然而，随着对二维材料的深入研究，研究人员逐渐意识到，在这些材料中激子效应可能会受到层次自由度的影响，这进一步激发了对这一领域的兴趣。激子物理的研究已经引起了科学家们的广泛关注，因为激子在二维材料中表现出与传统半导体不同的特性。在二维材料中，激子的束缚能通常比传统半导体要高得多，这意味着它们对于光学和电学性质的影响更为显著。然而，随着研究的深入，科学家们开始意识到，多层结构和层次自由度可能会对激子的性质产生重要影响。传统上，激子的研究主要集中在单层和双层结构上，而对于三层及以上的结构，人们的认识相对较少。为了深入了解层次自由度对激子物理的影响，中国科学院物理研究所杜罗军教授在Nature Reviews Physics 在线发表“New excitons in multilayer 2D materials”的研究成果。通过制备精密控制的三层二维材料异质结构，并利用先进的光学和电学技术，作者观察和分析了新的激子态，并探索了其电学和光学性质。此外，作者还开展了理论模拟，以揭示层次自由度对激子态的影响，并探索激子之间的相互作用和量子相变。通过对三层二维材料中新发现的激子态进行深入研究，本研究解决了关于多层结构中激子物理的重要问题。通过揭示新的激子态，如四极激子和间隔一层激子，并探索其电学和光学特性，本研究不仅丰富了对激子的理解，还为二维材料在光电子学和光子学应用中的潜在应用提供了新的可能性。
研究内容
为了深入理解二维材料中的激子物理学，并探索多层结构中新的激子态，作者进行了一项系统研究。在此研究中，通过实验和理论模拟，详细探讨了三层二维材料中的激子行为，并观察到了新的激子态，包括四极激子和间隔一层激子。我们一起来解读这一张图。首先，在图1a中，作者通过示意图描述了单层、双层和三层二维材料中可能的激子种类。结果表明，与单层和双层相比，三层结构中可以出现全新的激子态，这为多层结构中的激子物理提供了新的研究方向。其次，在图1b中，作者呈现了四极激子的结构示意图，说明了它是由两个相向的交错偶极激子混合而成的。这一发现对于激子的新型态有着重要的启示，可以为光电子学和光子学应用提供新的可能性。图1c展示了每个激子的能量与激子密度的关系。作者发现，在特定密度下，四极激子和交错偶极激子的能量相等，这引发了量子相变的可能性，进一步深化了对多体激子态的理解。在图1d中，作者呈现了三层二维材料中激子态的量子相图，显示了在不同条件下可能出现的不同激子晶体序列。这为实验和理论研究提供了重要的参考和指导，有助于进一步探索激子的复杂行为。图1e展示了通过实验测量得到的三层二维材料在电场作用下的反射光谱，揭示了间隔一层激子与内层激子之间的混合行为。这对于理解多层结构中激子的相互作用机制具有重要意义。最后，在图1f中，作者比较了不同激子态的特性，强调了它们在光学性质和应用潜力上的差异。这有助于指导未来的研究方向，推动激子技术在实际应用中的发展。 图1：层次自由度工程的新兴激子物理。a，示意图描述了单层（左）、双层（中）和三层TMD vdW结构（右）中可能的激子种类。除了单层和双层区域观察到的激子种类外，三层TMD结构还可以容纳两种全新的激子状态：四极激子和间隔一层激子。b，四极激子的示意图，由相向取向的IXs的混合形成。c，每个激子的能量示意图与激子密度的关系。nc对应于四极和IX偶极激子具有相同能量的激子密度。nd对应于IX偶极激子显示能量最小值的密度。d，作为R和n的函数的三层TMD异质结构中自发有序的多体激子态的量子相图。e，三层WSe2在电荷中性状态下随电场变化的微分反射光谱（dR/R）。插图：通过保持自旋和谷指数的下一个最近邻载流子跃迁，间隔一层偶极激子和内层激子之间的混合示意图。f，内层、层间、四极和间隔一层激子之间的比较。
总结展望
本文展示了多层二维材料中激子物理学的新前景。通过实验和理论模拟相结合的方法，作者发现了四极激子和间隔一层激子等全新的激子态，这为激子物理学提供了全新的视角。这些发现不仅拓展了对激子行为的理解，还为光电子学和光子学应用提供了新的可能性。在过去，人们主要关注单层或双层二维材料中的激子效应，而多层结构的研究较少。本文通过深入探索三层二维材料中的激子行为，揭示了新的激子态和量子相变现象，强调了多层结构在激子物理学中的重要性。Du, L. New excitons in multilayer 2D materials. Nat Rev Phys (2024). https://doi.org/10.1038/s42254-024-00704-5
