范德瓦尔斯异质结构中激子态的长程空间延伸

在巨型无形格子上的光粒子

想象能在材料中像汽车在城市里行驶那样移动的微小光能包。这些被称为激子的粒子通常栖息在仅有几纳米甚至更小的拥挤“街区”内。在这项研究中，物理学家们发现，在精心构建的一层层超薄晶体堆叠中，一些激子可以扩展到比平常大数千倍的区域，这暗示了在未来技术中控制光与能量流动的新方式。

光与物质的新游乐场

研究者们使用了一种特殊材料——范德瓦尔斯异质结构，它是由两层单原子厚的半导体层（MoSe2 和 WSe2）以轻微的扭转叠加而成。这种扭转产生了重复的干涉图案，称为莫尔晶格，就像两块细网重叠时出现的大尺度波纹。在这样的景观中，电子与空穴（缺失的电子）位于不同层，但仍相互吸引，形成寿命较长的“间接激子”。由于这些激子的寿命比通常更长，它们成为在原子厚度器件中远程传递信息与能量的有希望的构件。

读取被困光的指纹

为了了解这些激子的行为，团队使用了光致发光——用激光照射材料并测量其发射光的颜色。通常，陷在材料微小随机缺陷中的激子会在发射光谱中产生非常尖锐、狭窄的谱线，每条谱线像是局域态的指纹。在大多数半导体中，这类被困态局限于纳米尺度的区域。在这里，科学家们再次观测到这些窄谱线，这表明激子被束缚——但问题是：它们是被随机缺陷束缚，还是被两层间扭转产生的有序莫尔图样束缚？

从被困小岛到长距离旅行

通过随激光激发强度逐步增加激子密度，研究者们观察到一个显著变化。在低密度时，出现了许多窄的发射谱线，表明激子位于定义良好的局部囊穴中。随着密度增加，这些窄谱线逐渐消失，被一个宽的谱特征取代，同时激子开始在样品上长距离移动。这种反相关表明窄谱线与局域激子状态相关：当激子大多被困住时，窄谱线很强；当激子开始自由移动时，这些谱线便消失。

出人意料的大块被困态

最引人注目的发现来自于绘制每条窄谱线对应光信号的空间来源。与被限制在微小点不同，关联这些尖锐谱线的激子态在数微米的距离上延伸——比典型局域态大数千倍——并且可以覆盖接近整个样品十分之一的面积。这种宏观尺度的延伸若仅由随机无序引起是难以解释的，随机缺陷通常会产生小而孤立的囊穴。相反，这一结果指向一个底层的有序地形：一个仅被微弱扰动的莫尔势，使得相同的激子态可以在大范围内相干地重复出现。

这对未来器件有何意义

这些观察结果表明，在这种扭转的、原子厚的晶体堆叠中，激子并非被混乱的随机环境所束缚，而是被一个有序的莫尔格子在轻微无序下所限制。这种有序的束缚使得局域激子态可以延伸到令人惊讶的大面积，从而促进激子在区域间高效地移动。对非专业读者而言，结论是：研究人员找到了一种在二维材料中为类似光的粒子创建大而轮廓柔和的“区域”的方法。对激子栖息位置与迁移方式的这种控制，可能对未来低功耗光电器件、量子光源，乃至激子无阻流动等奇异物态的实现至关重要。

引用: Zhou, Z., Szwed, E.A., Brunner, W.J. et al. Long-range spatial extension of exciton states in van der Waals heterostructure. Nat Commun 17, 3503 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70218-4

关键词: 激子, 莫尔材料, 范德瓦尔斯异质结构, 量子光输运, 二维半导体