图.里德堡莫尔激子的示意图和实验测量
在国家自然科学基金项目（批准号：12174439、11974263、12174291）等资助下，中国科学院物理研究所许杨课题组和武汉大学袁声军课题组合作，在二维半导体材料WSe2中发现了一种被莫尔超晶格势场束缚和调控的里德堡激子态，即里德堡莫尔激子。该成果以“里德堡莫尔激子的实验观测（Observation of Rydberg moiré excitons）”为题，于2023年6月29日在《科学》（Science）杂志发表。文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh1506。
物质的里德堡态可以广泛存在于原子、分子以及固体等多种物理体系。这些里德堡态的性质类似于氢原子模型中的高激发态，具有空间上的延展性和较大的电偶极矩，即使在极弱的外场下也能产生较强的响应。近年来，冷原子领域的实验技术进步使人们能够囚禁和调控里德堡原子。基于里德堡原子体系的量子模拟与量子多体物理的研究蓬勃发展，受到了人们的广泛关注。然而，在与现代半导体技术更为兼容的固体材料中实现里德堡激子态（电子-空穴对的激发态）的人工操控依旧面临诸多挑战。
本工作中，中国科学院物理研究所许杨课题组利用小角度转角石墨烯提供的周期性莫尔势场，实现了对近邻的二维半导体WSe2中里德堡激子的束缚和调控。通过低温光谱技术，他们进一步证实了里德堡莫尔激子的调控特性。在WSe2/0.6度转角石墨烯异质结器件中，随着载流子掺杂浓度的提高，WSe2的里德堡激子态表现为多支能量劈裂，发生显著的红移和线宽减小，被称为里德堡莫尔激子。利用武汉大学袁声军课题组开发的实空间大尺度计算物理方法，研究团队针对里德堡莫尔激子形成的物理机制进行了深入探索。以电子掺杂为例，转角石墨烯在被掺杂后，超晶格AA堆垛区域电子密度相对于AB/BA区域更高，对WSe2激子中的空穴产生强烈地吸引，造成了激子中电子-空穴的空间分离，因而能够将里德堡激子束缚在转角石墨烯超晶格的格点上。在该体系中，转角石墨烯扮演了类似冷原子体系中光晶格的角色，为里德堡激子的束缚和调控提供了研究平台。
本项工作不仅在二维转角异质结中发现了里德堡莫尔激子态，而且系统地展示了该激子态的空间束缚、可控调节等特性，为实现基于固态体系中里德堡态在量子科学和技术等方向上的应用提供了可行途径。