Nature 子刊成果：1.8K+9T！attoDRY2100 无液氦磁体恒温器助力 WSe₂/MoS₂莫尔超晶格研究获重要突破
发布日期：2025-06-26
研究动态
理解粒子关联态对材料特性的影响是推进新型量子信息器件发展的关键科学问题之一。当多种准粒子（包括费米子（如电子）和玻色子（如激子（束缚的电子-空穴对）））的相互作用时，会导致关联物态的出现，其与超导性、关联绝缘体等重要物理现象密切相关。范德华材料中的莫尔超晶格已成为研究凝聚态物理关联态的前沿平台，而关联态对发射相干性这一量子光学关键参数的影响与调控，在过渡金属二硫属化物（TMD）构成的半导体二维莫尔超晶格中仍缺乏系统探索。
中国科学技术大学谭青海教授与蔡洪冰教授，新加坡南洋理工大学的Weibo Gao教授团队合作的工作在该领域取得重要突破，相关成果以《Enhanced coherence from correlated states in WSe2/MoS2 moiré heterobilayer》为题，发表于国际SCI期刊《Nature Communications》上。通过开展激发功率、温度与静电掺杂依赖性实验，课题组在WSe2/MoS2莫尔超晶格中证实了关联态对层间激子光致发光（PL）发射相干性的调控作用。研究表明，WSe₂/MoS₂异质双层中莫尔层间激子的发射相干性对材料中的相关绝缘态高度敏感，层间激子发射线宽在特定功率范围内呈下降趋势，该现象被归因于激子（玻色子）之间的相互作用。同时，在整数电子填充因子fel=1时，光致发光光谱的掺杂依赖性中也出现了这种线宽最小值，印证了电子（费米子）绝缘态对层间激子发射相干性的影响。这一发现揭示了莫尔半导体中激子-激子和激子-电子相互作用的丰富性，并通过调控这种相互作用为调控发射相干性铺平了道路。该研究借助低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100和低温强磁场拉曼显微镜-cryoRaman系统探究了激发功率、温度及掺杂对莫尔激子相干性的影响，为二维材料量子光学特性调控提供了重要实验依据。
研究进展
WSe₂/MoS₂异质结器件结构如图1a所示，器件光学图像如图1b所示，通过栅极电压可以实现载流子掺杂控制。该异质双层结构由单层WSe₂堆叠在单层MoS₂上构成。因两者晶格常数差异，即使完全对准也会形成莫尔超晶格。超晶格势不仅诱导电子局域化，还导致激子局域化，从而产生多个莫尔IX能级（图1c）。莫尔激子与莫尔诱导准粒子晶格之间的相互作用会影响莫尔激子的光致发光发射，例如相干性（图1d、e）。
图1：器件结构与理论物理图像。1a: 器件的结构示意图，通过电极可以调控器件的载流子掺杂。1b: 器件的光学照片。1c: 莫尔层间激子(IX)与莫尔诱导准粒子晶格间相互作用的示意图。1d-e：低相干性(1d)与高相干性(1e)中莫尔IX发射的示意图。莫尔激子的时间相干性受到关联态影响。不同颜色的箭头示意不同能量下的激子发射。
课题组系统研究了器件 PL 光谱随激发功率的演变（图 2a）。当激发功率超过 8 μW 时，高能激子峰 P2 开始出现；功率超过 34 μW 时，P2 发射主导 PL 信号。通过对 P2 发射峰的功率依赖线宽分析（图 2b，34 μW 功率下拟合结果见插图），发现 P2 线宽从 34 μW 时的 19.3 meV 降至 110 μW 时的 17.6 meV，在 100-150 μW 功率区间形成线宽凹陷。为验证线宽变窄现象，采用马赫 - 曾德尔干涉仪（图 2c 插图）测量 P2 发射的相干时间，发现在线宽变窄的功率范围内，相干时间出现峰值（图 2c），因相干时间与线宽成反比，该结果直接证实了线宽变窄现象的存在（图 2d 为激子 - 激子排斥作用导致非均匀展宽减弱的示意图）。
图2：激子相互作用的时间相干性探测。2a: 器件1的功率依赖性光致发光(PL)光谱。低能量和高能量莫尔层间激子分别标记为P1和P2。2b: P2发射谱线的线宽与激发功率关系图。插图：730纳米波长（34微瓦功率）激发下的拟合光致发光光谱。2c: P2发射的相干时间与激发功率关系图。插图：时间相干性测量装置示意图。2d：通过激子-激子排斥作用实现非均匀展宽减弱的示意图。
在恒定激发功率（约100微瓦）和5K至72K温度变化下，光致发光光谱呈现红移现象（图3a），源于温度诱导的带隙变化。随着温度升高，线宽凹陷逐渐减小， 50K时完全消失（图3b）。该现象机制为：非均匀线宽缩减依赖于无序势能最低点处激子极化激元（IX）的聚集，其聚集程度由激子极化激元密度和迁移率决定。5K至72K温区内，PL 强度和功率饱和曲线相对稳定，表明层间激子密度变化可忽略，因此温度依赖性主要由激子迁移率随温度升高而降低所致。团队建立考虑莫尔激子迁移率温度依赖性的理论模型，与实验数据高度吻合（图 3b），进一步验证了该物理机制。
图3 线宽缩窄的温度依赖性。3a：器件1的PL光谱随温度变化关系。所用激发功率约为100微瓦。3b: 不同温度下的线宽与功率关系图。图中的点与线分别代表实验数据和理论模型的拟合结果。阴影区域表示通过光致发光光谱的双峰高斯拟合获得的线宽不确定度。
本研究使用的低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100（图x）是一款干式闭循环低温强磁场恒温器。它凭借超卓特性，在本研究及众多前沿科研领域发挥着不可替代的作用。系统可提供1.8K到室温的变温环境，震动噪音极低。其采用全自动控温，通过触屏即可轻松控制温度与磁体。在磁场配置方面，可选择9T、12T以及矢量磁体，以满足不同实验的磁场需求。顶部进样的设计，可快速换样，有效提高了实验效率；目前，attoDRY2100已在国内外众多课题组广泛应用于量子通信、量子点发光、半导体材料、二维材料等研究领域。针对典型实验需求，该产品设计了几种标准显微镜方案方便用户进行拉曼、荧光等常见的测量手段对材料进行光-电-磁物理性质的变温与变磁场环境测量。
图4. 低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100，可以选配低温拉曼显微镜，低温AFM，低温双轴旋转台等配置。
attocube低震动无液氦磁体与恒温器
低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100 已经在北京大学，半导体所，清华大学，南京大学，复旦大学等单位顺利运行，持续助力各个课题组的科研工作。图5为常见的的低温强磁场拉曼显微镜，该系统集成成熟拉曼显微镜，配置attocube特有的低温消色差物镜以及纳米精度位移台，可以实现对常见二维材料，量子点，纳米线等微纳尺度材料的低温拉曼，荧光光谱，光电流等光电磁学性质测量。2024年3月，德国attocube公司推出了用于超灵敏SPM测量的全新超低振动低温恒温器attoDRY2200。该系统已经在英国，德国，中国等国家进行安装与运行，助力全球用户进行NV色心成像研究。
图5：常见配置-低温强磁场拉曼显微镜。
attoDRY2100主要技术特点：
☛ 超低振动、基于脉冲管的闭环低温恒温器，专为扫描探针显微镜应用而设计
☛ 磁场范围：0~9T ( 可选12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体等)
☛ 宽温度范围：1.8 K~300 K
☛ 通过 eNSPIRE 电子设备进行自动化控制，实时绘图，多功能接口
☛ 可选显微镜：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接触式与非接触式）, CFM
☛ 样品定位范围：5×5×4.8 mm3
☛ 扫描范围: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K
☛ 商业化探针
☛ 可集成升级 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能
☛全新升级款：用于超灵敏SPM测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200
图6：用于超灵敏 SPM 测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200
低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100 部分发表文献：
Xing DING, et al. High-efficiency single-photon source above the loss-tolerant threshold for efficient linear optical quantum computing. Nature Photonics, 19, 387–391 (2025)
Xiaodong XU, et al. Ferromagnetism and topology of the higher flat band in a fractional Chern insulator. Nature Physics, 21, 549–555 (2025)
Kin Fai Mak, et al. Correlated states controlled by a tunable van Hove singularity in moiré WSe2 bilayers. Nature Communications 16, : 1959 (2025)
Qinghai TAN, et al. Enhanced coherence from correlated states in WSe2/MoS2 moiré heterobilayer. Nature Communications 16, : 4518 (2025)
Yu YE, et al. Probing the anomalous Hall transport and magnetic reversal of quasi-two-dimensional antiferromagnet Co1/3NbS2. Nature Communications 16, : 4465 (2025)
Yu YE, et al. Multi-parameter control of photodetection in van der Waals magnet CrSBr.Light: Science & Applications, 14: 67 (2025)
Yihua WANG, et al.Direct observation of chiral edge current at zero magnetic field in a magnetic topological insulator. Nature Communications 16, : 963 (2025)
Zhiliang YE, et al. Resolving polarization switching pathways of sliding ferroelectricity in trilayer 3R-MoS2. Nature Nanotechnology, 2025
Xuefeng WANG, et al. Large Anomalous Hall Effect in a Noncoplanar Magnetic Heterostructure. Adv. Funct. Mater. 2025, 2422040
Zhihai CHENG, et al. The First Molecular Ferroelectric Mott Insulator. Adv. Mater. 2025, 2414560
低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY 部分国内用户单位：
