中南大学在莫尔超晶格量子器件研究领域取得新成果

近日, 中南大学物理与电子学院教授刘艳平、何军与美国加州州立大学北岭分校Gang Lu、澳大利亚悉尼大学刘宗文以及湖南大学潘安练、段曦东教授等国内外学者合作，在《先进材料》（Advanced Materials)上发表题为“TMDCs莫尔超晶格层间耦合效应的量子调制”的研究论文。中南大学物理与电子学院为该项研究成果的第一完成单位，博士后郑海红博士为论文第一作者，刘艳平教授为论文的通讯作者。

在范德瓦尔斯材料中，层间扭曲或晶格失配可以形成莫尔超晶格(Moiré superlattices)，其周期随着扭曲角的变化而连续变化。莫尔超晶格可以产生空间周期性的莫尔势，改变材料的电子和能带结构，从而产生强相关联的量子现象，为研究多体系统的量子模拟提供了可能，促进了量子光学器件的发展。

二维莫尔超晶格为探索新的强相关联的物理现象提供了一个强大的平台，这些现象都取决于界面层间耦合相关的莫尔势。

目前，莫尔超晶格主要通过机械剥离技术和人工堆叠方法制备。然而，人工转移方法不可避免地造成由不纯界面引发的层间耦合在空间上的不均匀性，阻碍了对周期性莫尔超晶格物理性质及其应用的深入理解。因此，直接生长具有均匀的层间耦合和最小晶格重构的莫尔超晶格仍然是一个挑战，对莫尔超晶格的应用构成严重限制。

针对这一难题，该研究创新性通过Sn原子辅助生长克服堆积自由能，并使用CVD生长技术直接制备了不同扭角的WSe2莫尔超晶格。利用低频拉曼散射光谱验证了其均匀性，证明了强的界面耦合。扭曲角为1.5°的CVD生长的莫尔结构的莫尔势比人工堆叠的更深(增加了155%)，表明界面耦合可以调节莫尔势的深度。第一性原理模拟揭示了莫尔超晶格中的平带现象，为莫尔激子的产生提供了理论基础。

本研究成果提出了一种合成二维莫尔超晶格的新方法，并为设计和优化其莫尔性能提供了策略，这种新策略将有望用于量子计算、量子通讯、新型超导体等领域。

研究者通过Sn原子辅助下克服堆积自由能，采用CVD生长技术制备了具有不同扭曲角的WSe2莫尔超晶格。受访者 供图

据悉，“低维物理与量子器件”是中南大学物理与电子学院特色研究方向和“十四五”规划重点发展支持方向之一。此项研究得到了国家自然科学基金面上项目、湖南省自然科学基金杰出青年项目、湖南省重点研发项目、湖南省芙蓉学者特聘教授基金、中南大学创新驱动青年团队项目、中南大学高性能复杂制造国家重点实验室自主研究课题、澳大利亚ARC Discovery、博士后面上项目等多个项目的支持，并获得中南大学高性能计算公共平台在材料结构计算等方面提供的有力支持。