當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)周期性物質(zhì)相互重疊時(shí)，就會(huì)形成摩爾紋（Moiré pattern）。生活中，當(dāng)用手機(jī)拍攝電腦上的圖案時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電腦屏幕上本不存在的波紋，這就是摩爾紋。

生活中的摩爾紋

當(dāng)然，這樣的現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在生活中，在普通的二維材料中也可以看到，并在量子材料系統(tǒng)中產(chǎn)生豐富的物理學(xué)現(xiàn)象。在過去的十年中，摩爾紋以前所未有的新現(xiàn)象和獨(dú)特功能而引人注目，改變了基礎(chǔ)固體物理學(xué)、材料科學(xué)和工程學(xué)的格局。

在凝聚態(tài)物理學(xué)中，摩爾紋（也稱為摩爾超晶格）可以通過垂直堆疊兩個(gè)或多個(gè)具有微小扭轉(zhuǎn)角和/或輕微晶格不匹配的二維（2D）層狀材料來(lái)形成。

在此，中科院物理所杜羅軍特聘研究員和張廣宇研究員，芬蘭阿爾托大學(xué)歐洲科學(xué)院院士孫志培教授總結(jié)了摩爾紋二維材料的最新發(fā)展，作者重點(diǎn)介紹了新興的摩爾光子學(xué)和光電子學(xué)的最新進(jìn)展，包括但不限于摩爾激子、氘子和極化子，共振雜交激子等。

同時(shí)，還討論了該領(lǐng)域的未來(lái)機(jī)遇和研究方向，例如開發(fā)先進(jìn)技術(shù)來(lái)探測(cè)單個(gè)摩爾超晶格中的新興光子學(xué)和光電子學(xué)，探索新的鐵電、磁和多鐵摩爾紋系統(tǒng)，并利用外部自由度設(shè)計(jì)摩爾紋屬性，以實(shí)現(xiàn)潛在的技術(shù)創(chuàng)新。

相關(guān)文章以“Moiré photonics and optoelectronics”為題發(fā)表在Science。

二維（2D）層狀材料開創(chuàng)了基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新的新時(shí)代，具有不同性質(zhì)的二維原子層可以堆疊在一起形成范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，而不受傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中晶格匹配的限制。這使得有機(jī)會(huì)將不同成分的最佳特性結(jié)合在一個(gè)最終的合成量子材料中，從而實(shí)現(xiàn)許多以前不可能的電子，光子，磁性和拓?fù)涔δ堋?/span>

結(jié)果顯示，由于組成2D原子層之間的干涉，出現(xiàn)了幾何摩爾紋超晶格，具有輕微的晶格失配/或小的旋轉(zhuǎn)扭曲（圖1A）。這種摩爾超晶格引入了新的長(zhǎng)度和能量尺度，并為設(shè)計(jì)能帶結(jié)構(gòu)和新穎量子現(xiàn)象的光物質(zhì)相互作用。

圖1.?摩爾超晶格和摩爾物理學(xué)研究的關(guān)鍵發(fā)展的時(shí)間線

當(dāng)摩爾超晶格遇到光時(shí)，它們?yōu)榘l(fā)現(xiàn)新興光子和光電現(xiàn)象以及器件架構(gòu)提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)。使用摩爾超晶格提供的新自由度為設(shè)計(jì)激子帶結(jié)構(gòu)和光物質(zhì)相互作用提供了可能性，適用于多種應(yīng)用，例如多功能量子光源、新的量子多體物理學(xué)和長(zhǎng)期尋求的玻色子晶體。事實(shí)上，在過去幾年中，出現(xiàn)了豐富多樣的新興摩爾光子和光電特性，可能用于下一代非線性光子學(xué)和光電子學(xué)。

圖2. 摩爾光子學(xué)和光電子學(xué)?；谀柍Ц褚敕独齺?lái)設(shè)計(jì)大量的光激發(fā)帶結(jié)構(gòu)和光電子現(xiàn)象

摩爾超晶格的制造和可視化

自上而下的方法：制備高質(zhì)量雙層摩爾超晶格的一種自上而下的方法是“撕裂堆疊”技術(shù)。該技術(shù)基于確定性的提取和轉(zhuǎn)移，包括選擇性提取2D材料的一部分，然后將其轉(zhuǎn)移到剩余部分，該部分已通過用戶設(shè)計(jì)的角度旋轉(zhuǎn)。

自下而上的方法：開發(fā)用于合成大規(guī)模和均勻摩爾超晶格的直接生長(zhǎng)方法對(duì)于未來(lái)的技術(shù)應(yīng)用非常重要。一種有效的自下而上方法是vdW外延。例如石墨烯/ h-BN，WS₂/WSe₂和MoS₂/WSe₂。打破能量趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角可控、逐層外延的摩爾超晶格的可擴(kuò)展制備，將極大地推動(dòng)該領(lǐng)域的進(jìn)展。

摩爾超晶格的可視化

摩爾超晶格的直接可視化對(duì)于全面理解和控制摩爾超晶格具有根本價(jià)值。原則上，原子分辨率技術(shù)，如掃描隧道顯微鏡（STM）和透射電子顯微鏡（TEM），提供了直接成像各種摩爾超晶格的機(jī)會(huì)。由于疇壁處的對(duì)稱性被破壞和相當(dāng)大的應(yīng)變梯度，摩爾超晶格可以顯示非消失的機(jī)電響應(yīng)，因此可以通過壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM）成像。

此外，摩爾超晶格還可以通過導(dǎo)電原子力顯微鏡（AFM），掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM），掃描微波阻抗顯微鏡（sMIM），掃描開爾文探針顯微鏡（SKPM）和高光譜拉曼成像進(jìn)行可視化。

圖3.?摩爾激子和三重子

圖4.?共振雜化激子和摩爾紋極化子

圖5.?摩爾相關(guān)狀態(tài)的光子學(xué)和重構(gòu)的摩爾超晶格

圖6. 摩爾光電子學(xué)

目前，所有的摩爾光子學(xué)和光電子學(xué)的測(cè)量都是在遠(yuǎn)場(chǎng)極限下收集了超過10000個(gè)摩爾晶格的信號(hào)進(jìn)行的。因此，開發(fā)能夠同時(shí)探測(cè)單個(gè)摩爾超晶格中的光子和光電特性并評(píng)估摩爾的先進(jìn)技術(shù)對(duì)于推進(jìn)理解將是有價(jià)值的。同時(shí)，目前對(duì)摩爾光子學(xué)和光電子學(xué)的研究工作主要集中在扭曲石墨烯和扭曲過渡金屬硫族化合物上。探索新的摩爾系統(tǒng)，如由二維鐵電、磁或多鐵晶體組成的摩爾超晶格，以及涉及兩個(gè)或多個(gè)單摩爾紋超晶格的摩爾器件，將激發(fā)摩爾光子學(xué)和光電子學(xué)的研究方向。此外，通過外部手段（例如，電場(chǎng)或磁場(chǎng)，應(yīng)變和超快光學(xué)激發(fā)）設(shè)計(jì)摩爾光子學(xué)和光電子學(xué)，有可能引發(fā)技術(shù)創(chuàng)新（例如量子非線性光學(xué)，超緊湊光調(diào)制器和太赫茲單光子器件）的下一次“淘金熱”。

探索摩爾光子學(xué)和光電子學(xué)的道路，還會(huì)有更多的驚喜發(fā)生！

杜羅軍，中國(guó)人民大學(xué)-中科院物理所聯(lián)合培養(yǎng)博士，芬蘭阿爾托大學(xué)博士后。入選中科院“引進(jìn)國(guó)外杰出人才（I類）”，主持和參與的科研項(xiàng)目包括：科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2000萬(wàn)）、歐盟量子旗艦計(jì)劃（300萬(wàn)歐）、歐盟ERC（240萬(wàn)歐）、芬蘭科學(xué)院基金（39萬(wàn)歐）等。

在低維量子材料對(duì)稱性破缺光電子學(xué)領(lǐng)域已發(fā)表論文43篇，其中第一和通訊作者文章22篇，包括Nat. Rev. Phys. 1篇、Nat. Commun. 3篇、以及Phys. Rev.系列10篇等。擔(dān)任SCI雜志Symmetry的客座編輯，以及Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B, Nat. Commun.等期刊的審稿人。

來(lái)源：

http://nano.iphy.ac.cn/n07/members.html

張廣宇，中科院物理所博士、斯坦福大學(xué)博士后，現(xiàn)任中科院物理所納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室主任、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室副主任。曾入選國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃青年拔尖人才、國(guó)家杰出青年基金、萬(wàn)人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、中科院引進(jìn)國(guó)外杰出人才、科技部中青年領(lǐng)軍人才；獲北京市科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中科院青年科學(xué)家獎(jiǎng)、中科院杰出科技成就獎(jiǎng)、胡剛復(fù)物理獎(jiǎng)；主持科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、基金委重大項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)B類等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。

在納米物理與器件領(lǐng)域有20多年經(jīng)驗(yàn)積累，發(fā)表論文180余篇（Science和Nature系列刊物論文28篇），總引17000余次，單篇最高引用2000余次，H指數(shù)58，入選2021年愛思唯爾高被引學(xué)者；現(xiàn)任 Nano Res., npj 2D Mat. Appl.等期刊的編委。

來(lái)源：

http://nano.iphy.ac.cn/n07/members.html

孫志培，?芬蘭阿爾托大學(xué)教授。2005年于中國(guó)科學(xué)院物理研究所獲博士學(xué)位；2013年加入芬蘭阿爾托大學(xué)電子工程學(xué)院; 榮獲歐洲居里學(xué)者(MSCA Research Fellow, 2014), 芬蘭科學(xué)院研究員(Academy Research Fellow, 2014), 歐洲量子旗艦計(jì)劃 (S2QUIP,2018), 芬蘭科學(xué)院量子技術(shù)卓越研究中心(2018)和歐洲研究理事會(huì)高級(jí)基金 (ERC Advanced grant,2019)等項(xiàng)目支持;入選美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士 (OSA, Fellow)。

擔(dān)任 Nature、Nature Photonics, Photonics Research等刊物的審稿人;共發(fā)表文章170余篇，總被引24000余次，H-index為57（Google Scholar）。

來(lái)源：

https://www.sohu.com/a/421318466_739961

Luojun Du*, Maciej R. Molas, Zhiheng Huang, Guangyu Zhang*, Feng Wang, Zhipei Sun*, Moiré photonics and optoelectronics,? Science,?2023,

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0014