今日Science：扭曲雙層半導體中的電可調諧Feshbach共振

【研究背景】

調整粒子間相互作用的符號和強度的能力是實現量子模擬器的關鍵。在超冷原子實驗中，利用Feshbach共振實現了相互作用的必要可調諧性；這使得該領域有了許多令人印象深刻的發展，包括超冷分子的制備和BEC（玻色-愛因斯坦凝聚態）到BCS（巴丁-庫珀-施里弗態）轉變的觀測。由于它們豐富的內部能級結構，在給定的內部狀態下制備的兩個冷原子可以通過施加外部磁場與兩個原子的束縛分子態共振，其中S'≠S。有限超精細耦合允許處于低能散射態（開放通道）的兩個原子與束縛分子態（封閉通道）雜交，從而在開放通道中產生完全可調諧的散射相移。過渡金屬二硫屬化物雙層中的莫爾超晶格為探索與光譜的強相關性提供了平臺。盡管觀察到周期勢和庫侖相互作用之間的相互作用產生了豐富的Mott-Wigner特性，但沒有隧道耦合誘導的電子態雜化確保了經典的層自由度。

【成果簡介】

蘇黎世聯邦理工學院量子電子研究所ATA? IMAMO?LU教授和IDO SCHWARTZ博士研究了一種MoSe₂同質雙層結構，其中層間相干隧穿允許電場控制的操縱和基態空穴層贗自旋的測量。本實驗證明，即使當層內三子的能量高于散射態的能量時，具有相干層間空穴隧穿的雙層TMD系統也會表現出誘導層間Feshbach分子的2D Feshbach共振。這樣的共振用于通過電調諧Feshbach分子的結合能來增強駐留在不同層的激子和空穴之間的相互作用。相互作用強度是谷選擇性的，并且可以誘導相鄰MM位空穴之間的激子介導的鐵磁相互作用。因此，本工作在探索莫爾晶格中的量子磁性方面可以發揮作用。本研究成果可以實現具有可調相互作用的簡并玻色-費米混合物。該文章近日以題為“Electrically tunable Feshbach resonances in twisted bilayer semiconductors”發表在知名頂刊Science上。

【圖文導讀】

圖一、設備結構和基本特征

圖二、莫爾填充因子ν=3時的相干孔隧穿

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圖三、ν=2附近的相干空穴隧穿

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圖四、Feshbach共振

【全文總結】

研究表明，具有相干層間空穴隧穿的雙層TMD系統表現出2D Feshbach共振，即使當層內三元的能量高于散射態的能量時，也會誘導層間Feshbach分子。這種共振用于通過電調節Feshbach分子的結合能來增強激子和位于不同層中的空穴之間的相互作用。相互作用強度是谷選擇性的，可以在相鄰MM位點的空穴之間誘導激子介導的鐵磁相互作用。此外，報告的實驗表明，外加電場、層間空穴隧道和層選擇性光激發的組合原則上可以允許層贗自旋在Bloch球體上的任意旋轉以及在上下基礎上的投影測量。可實現的控制程度可以在二維材料中實現一組新的量子光學實驗，包括谷和層贗自旋的光泵浦以及利用層相干性的電磁感應透明度。

文獻鏈接：Electrically tunable Feshbach resonances in twisted bilayer semiconductors (Science 2021, doi: 10.1126/science.abj3831)

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