研究背景
莫爾超晶格是由不同層次的二維材料通過特定角度錯配形成的人工結構，因其在量子多體物理研究中的潛力，逐漸應用于量子模擬等領域。與傳統的二維材料相比，莫爾超晶格展現出獨特的電子結構和相變特性，尤其是在過渡金屬硫屬化物（TMD）異質結構中，它們提供了強關聯電子態，如莫特絕緣體、廣義維格納晶體和分數量子霍爾絕緣體等。這些優異特性使莫爾超晶格成為研究量子多體效應的理想平臺。
然而，莫爾超晶格在量子相的相干性和動力學特性方面仍存在許多未解的挑戰，尤其是在光激發莫爾激子的情況下，如何理解激子之間的相互作用、耗散效應以及量子相變的動態演化是當前研究的熱點。
鑒于此，普渡大學黃麗白團隊、華盛頓大學許曉棟教授以及亞琛工業大學Dante M. Kennes教授合作在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Frozen non-equilibrium dynamics of exciton Mott insulators in moiré superlattices”的最新論文。第一作者鄧時濱目前為南開大學副教授。該團隊通過設計和制備了過渡金屬硫屬化物（TMD）基莫爾超晶格，并利用瞬態光致發光（PL）和超快反射顯微技術，成功實現了對莫爾激子非平衡相變的成像。這項研究揭示了強長程偶極斥力如何導致莫特絕緣體相的動力學凍結，并發現這種凍結現象能夠持續超過70納秒。
研究表明，莫爾激子不僅具有強烈的玻色–玻色相互作用，還表現出類似于超冷氣體中的量子效應，進一步推動了莫爾超晶格在量子模擬和多體物理中的應用潛力。通過這一研究，研究團隊不僅獲得了莫爾激子在低溫下的動態特性，還為將來利用這些系統進行量子糾纏與去相干的控制方法提供了理論依據。
研究亮點
（1）實驗首次在WS2–WSe2異質結構中觀察到不可壓縮的莫特絕緣激子相，并成功通過瞬態光致發光（PL）和超快反射顯微技術成像了莫爾激子的非平衡量子輸運過程。
（2）實驗通過結合實驗和理論研究，揭示了莫爾激子間長程偶極斥力導致莫特絕緣相的動力學凍結。研究發現，由于強斥力作用，莫特絕緣體相的激子在超過70納秒的時間尺度上表現出凍結的動力學。
（3）通過與超冷氣體體系的對比，實驗結果展示了莫爾激子作為一個具有高度相干性的多體系統，展現出類似于超冷氣體的動力學特性。該研究挑戰了傳統的斥力使粒子遠離的理解，表明強斥力反而能夠束縛激子的動態。
（4）實驗結果還表明，莫爾激子在低溫下滿足斥力大于系統無序和漲落的條件，這使得它們能夠表現出類似超冷氣體的量子效應，為未來在莫爾超晶格中實現量子模擬提供了新的研究路徑。
圖文解讀
圖1: 玻色-哈伯德擴展模型實現的莫爾激子。
圖2:莫特絕緣體相的動力學。
圖3:通過偶極排斥相互作用，凍結莫特絕緣體相中的激子運動。
圖4:混合激子-電子莫特絕緣體相的動力學。
結論展望
本研究展示了時間分辨光學顯微技術在可視化莫爾超晶格中非平衡激子相變動力學中的應用。通過這些方法，研究者成功地在WS2–WSe2異質結構中，在納秒時間尺度上觀察到了不可壓縮的玻色莫特絕緣體相的出現。通過比較這些激子態的輸運動力學，研究者能夠辨別長程斥力偶極相互作用在穩定莫特絕緣體相中的作用。這些由于斥力偶極相互作用導致的凍結動力學結果挑戰了傳統的觀點，即斥力使粒子遠離，而引力將它們吸引在一起。這個明顯的悖論可以通過考慮激子在周期性莫爾勢中的量子特性來解釋。
激子的色散關系將激子動量與能量聯系在一起，體現為莫爾帶的形式。對于足夠深的莫爾勢，帶變得平坦，最低能帶與第二能帶之間能量上有分離。例如，在1°扭曲的WS2–WSe2異質雙層中，預測有18?meV的能隙。莫爾平帶之間的能隙表明，并非所有的動能值對激子的動力學來說都是“允許”的。只有在沒有其他耗散通道來吸收過剩能量的情況下，這導致了一個情形，其中多余的勢能可能會落入能量隙中，從而禁止其轉化為動能。
研究者的研究解決了一個開放性問題，關于激子準粒子量子相的穩健性。盡管激子可以被視為固態中的人工原子，但它們本質上與漲落和無序耦合。在具有周期性勢的封閉量子多體系統中，引入過剩能量的斥力相互作用能夠有效地“凍結”系統的動力學，類似于能量不足時的情形。
迄今為止，冷氣體（其固有的時間尺度為毫秒）是唯一展示這一現象的完整量子系統。作為高度相干的系統，冷氣體非常適合作為量子模擬器來研究量子多體動力學。研究者的研究將莫爾激子引入納秒時間尺度，作為另一種可以觀察到類似量子多體動力學的系統，拓寬了研究者對復雜固態材料中量子相干性的理解。莫爾激子還為研究驅動-耗散相變提供了新的機會。例如，探索是否可以采用類似于冷氣體和超導量子比特中的儲備工程方法來對抗種群損失，從而進一步穩定莫特絕緣體相，將是一個有趣的方向。
原文詳情：
Deng, S., Park, H., Reimann, J. et al. Frozen non-equilibrium dynamics of exciton Mott insulators in moiré superlattices. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02135-8
