人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”高宇南研究员和龚旗煌教授团队，与北京大学物理学院量子材料科学中心冯济教授课题组合作，理论和实验上发现了二维材料三层异质结中电四极激子的明态和暗态辐射特性，为探索新型激子态提供了新的研究平台。相关成果以“WSe₂/MoSe₂/WSe₂异质三层结构中的明和暗四极激子”（Bright and Dark Quadrupolar Excitons in the WSe₂/MoSe₂/WSe₂ Heterotrilayer）为题，于2023年10月30日在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

由于介电屏蔽减弱导致激子有更高的结合能，单层和少层过渡金属二硫化物（TMD）中显现出多种稳定的激子形态，包括中性激子、带电激子、双激子、层间激子等等。其中，在不同TMD叠合形成的二维异质结中，层间激子具有永久偶极矩，所以它们的种类、相互作用和运动可通过静电场方便地进行调控。此外，TMD中自旋和谷自由度的耦合，层间扭转角度的引入，以及莫尔势出现，导致更多丰富量子现象的出现，如维格纳晶体、哈伯模型物理、相关绝缘态、条纹相和激子绝缘体等等。

在该工作中,合作团队报道了对WSe₂/MoSe₂/WSe₂异质三层结构器件中电四极激子（Quadrupolar Excitons，QXs）的辐射特性的理论和实验研究成果。团队研究发现，由于水平镜像对称性以及谷和自旋选择规则，QXs具有光辐射明态和暗态，并发现在施加垂直于平面的电场时，通过改变空穴分布和斯塔克效应，QXs光辐射的明暗态和能量是可以被电场调控的。

(a):三层异质结的激子示意图;(b):堆垛方式及对称性;(c):电四极激子的辐射选择定则。

(a):三层异质结的双栅器件结构示意图;(b):电场调控的亮暗电四极激子光谱。

北京大学物理学院2020级博士生谢永志、2022级博士生高宇辰和2023级博士生陈风宇为论文的共同第一作者，本实验室高宇南研究员和北京大学物理学院量子材料科学中心的冯济教授为论文的共同通讯作者。

上述研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金，以及人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院等支持。

论文原文链接:https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.131.186901

信息来源：北京大学物理学院网站