一作+通讯，扭曲双层材料，又一篇Science！

调谐信号的能力和粒子之间相互作用的强度是实现量子模拟器的关键。在超冷原子实验中，相互作用的必要可调性是通过使用费什巴赫共振实现的。这使得该领域的许多重要发展成为可能，包括制备超冷分子和观察BEC（玻色-爱因斯坦凝固体）到BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer状态）的过渡。

由于其丰富的内部能级结构，通过施加外部磁场，在给定的内部状态下制备的两个总自旋S的冷原子可以与两个原子的结合分子状态产生共振（S′ ≠ S ）。有限超细耦合允许处于低能散射状态（开通道）的两个原子与束缚分子状态（闭通道）杂交，导致开通道中完全可调散射相移。

最近，扭曲双层二维（2D）材料（特别是魔角石墨烯）已成为研究高度相关电子物理学的新平台。在这些合成量子材料中，新兴平带动能的部分猝灭和强库仑相互作用起着核心作用。

相比之下，光激发的作用主要局限于光谱，揭示了相互作用电子系统莫特-维格纳（Mott-Wigner）状态下的不可压缩性和突现电荷序等特征。通过允许在退化的玻色-费米混合物中允许光诱导的相关性状态，提高激子-电子相互作用的强度可以极大地丰富该系统的物理学。

苏黎世联邦理工学院Ataç Imamoglu（通讯）和Ido Schwartz（一作+通讯）等人在Science发表了最新成果，Electrically tunable Feshbach resonances in twisted bilayer semiconductors，作者证明，在石墨烯电门之间进一步夹杂层异质结构可以为单独控制每层的电子性能和整体电子相互作用强度提供一条途径。

在这里，作者演示了在扭曲同质层MoSe₂异质结中电调谐的费什巴赫（Feshbach）共振，为玻色子(激子或极化子)和费米子(电子或空穴)粒子之间的可调谐相互作用提供了基础。虽然层间赝自旋自由度的存在允许获得可调谐进、出共振的开、闭通道，但层间的相干空穴隧穿提供了超精细相互作用的对应物，导致散射和束缚分子态的杂化。

强大的库仑相互作用、莫尔超晶格和相干层间空穴隧穿之间的相互作用是了解所研究的扭曲MoSe₂/hBN（六边形氮化硼）/MoSe₂异质结构丰富物理学的关键。为了解开其特性，作者使用了激子-极化子光谱的电场（E_z）和空穴密度依赖性。

作者发现了一个显著的莫尔位置和填充因子依赖于多体系统：为了莫尔超晶格的统一填充(ν = 1)，作者在顶部或底部观察到类似莫特的相关绝缘体状态，这可以通过翻转共振的观察得到证明。

更一般地说，对于ν≤1，空穴态没有显示层杂化的证据。然而，对于ν>1，多余的空穴占据了莫尔晶格中的层杂化位点，导致相关的吸引激子-极化子共振能量的强E_z依赖性。在进一步增加ν > 1的E_z后，作者发现翻转共振消失了，这表明空穴不再局限于莫尔格子的高对称点。正是在这个参数状态下，作者观察到光学激发状态下的不对称避免交叉，这表明顶层三元态与由顶层激子和底层空穴组成的连续散射状态的杂化。

这一观察为二维费什巴赫共振以及与出现的层间费什巴赫分子相关的吸引和排斥极化子分支的存在提供了明确的证据，为探索多体物理学和量子模拟提供了一个平台。

图文详情

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图1. 器件结构和基本特征

作者的器件由两个MoSe₂层组成，封装在两个厚厚的hBN层之间，并由单层hBN隧道屏障分隔（图1A）。顶部和底部栅极电压V_tg和V_bg使用透明的薄石墨烯板施加，而两个过渡金属硫族化合物（TMD）层（即MoSe₂层）接地。图1B显示了典型的差分反射光谱，作为固定后门电压V_bg = –4 V的顶栅电压的函数。在V_tg ≈±6 V范围内，激发光谱由顶层和底层的中性激子共振决定，表示两层都是无电荷的。通过设置|Vtg|>6 V，顶层激子进化成排斥偏振子（RP）。此外，一个有吸引力的偏振子（AP）分支出现在较低的能量下（𝐸E_APtop=1.607 eV）。

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图2. 莫尔填充系数v =3处的相干空穴隧穿

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图3. v =2附近的相干空穴隧穿

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图4. 费什巴赫共振

文献信息

Schwartz et al., Electrically tunable Feshbach resonances in twisted bilayer semiconductors. Science 374, 336–340 (2021).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3831

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