近年来，莫尔激子（Moiré excitons）作为一种新型的量子物态，由于其独特的性质和转角可调控的特性，获得了凝聚态物理和材料科学领域的广泛关注。莫尔激子是由二维材料中莫尔势调制的电子空穴束缚态，通常出现在双层过渡金属二硫化物（TMDs）等具有转角结构的材料体系中。这些激子态不但保留了单层TMD材料中激子的部分性质，例如自旋-谷锁定，同时还有转角依赖的特点，包括可调的光学性质和电子行为，使其在量子计算、光电器件和信息存储等领域具有潜在的应用前景。理论计算中，莫尔激子的研究面临诸多挑战，由于莫尔超晶格的原胞庞大，且具有较复杂的多自由度耦合，使得完全基于第一性原理的激子研究需要大量的计算资源，阻碍了该领域的发展。
（a）莫尔材料中的激子示意图（b）谷间散射机制对于谷极化的影响示意图
近期，清华大学物理系段文晖教授、徐勇教授课题组与北京航空航天大学汤沛哲教授课题组、浙江大学常凯教授课题组合作，使用了电子连续模型与激子贝特-萨佩特方程（Bethe-Salpeter equation,BSE）结合的方法，以WSe2/WS2异质结为例，研究了层内莫尔激子的多方面性质。此前的激子连续模型研究无法准确描述在WSe2/WS2转角异质结中的电荷转移莫尔激子，该研究中使用的方法克服了此前研究方法的限制，提供了一个更为准确且高效的莫尔激子的研究方法，其结果与大规模GW-BSE计算定性一致，弥补了之前简化模型的不足之处。同时，与GW-BSE计算相比，该方法所需要的计算资源较小，能够有效地处理库伦交换作用。通过调节扭转角度，研究考察了层内莫尔激子的结合能、玻尔半径、三重态-单重态能级劈裂以及不同能谷间耦合强度的变化。
研究表明，扭转角度能够有效调控莫尔谷极化和其他谷电子学特性，转角依赖的库伦交换相互作用在其中起着至关重要的作用。尤其值得注意的是，该研究展示了在小角度的扭转TMDs中，光学实验中可实现的谷极化率可以达到90%以上，这为转角TMD材料未来在谷电子学领域中的应用提供了有力支持。这些研究结果表明，扭转角度作为一种新的自由度，能够调控莫尔半导体的光学特性，不但深化了对于莫尔激子的理解，而且为光电莫尔器件的开发提供了新的可能性。
相关研究成果以“范德华超晶格层内莫尔激子的扭角相关谷极化”（Twist-Angle-Dependent Valley Polarization of Intralayer Moiré Excitons in van der Waals Superlattices）为题，于1月17日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
北京航空航天大学汤沛哲教授和清华大学徐勇教授为论文通讯作者，清华大学物理系2021级博士生王任琦为论文第一作者。论文合作者包括清华大学段文晖教授和浙江大学常凯教授。研究得到国家重点基础研发计划、国家自然科学基金、量子科学技术创新计划、天津国家超算中心等科研经费和项目的支持。
