莫尔纹理是指由两个或多个周期性模板的干涉产生的一种新的、长距离尺度结构。物理学家Lord Rayleigh于1874年首次认识到莫尔纹理在科学和工程领域的价值。此后，莫尔纹理的研究促使了莫尔技术在各种实际应用中的诞生，例如精密测量和定位、自动化和应变测量。在凝聚态物理学中，莫尔纹理（也称为莫尔超晶格）可以通过垂直堆叠两个或多个具有微小扭曲角和/或轻微晶格失配的二维（2D）分层材料而形成。在过去的十年里，莫尔超晶格呈现出令人瞩目的成果，带来了大量以前无法实现的新现象和独特功能，改变了固体物理学、材料科学和工程领域的格局。莫尔超晶格引入了一种远大于组成二维层的晶体周期性的新长度尺度势，为工程电子能带结构提供了强大的策略，从而催生了大量的量子现象。例如，长波长的莫尔周期势可以将电子能带结构折叠成一个微型布里渊区，导致平带的形成以及丰富的关联态相图，如非常规超导、轨道磁性、莫特绝缘体态和拓扑多铁序等。近日，来自中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心张广宇教授和芬兰阿尔托大学孙志培教授共同领导的研究团队在Science上以Moiré photonics and optoelectronics为题发表综述文章，总结了近年来莫尔光子学和光电子学的最新进展，还讨论了该领域未来的机会和研究方向，并对其应用前景做了展望。
图1莫尔光子学和光电子学概述。
图源：Science 379, 1313 (2023).
二维材料的出现开创了基础研究和技术创新的新纪元。今天，人们已经发现了 2000 多种原子级厚度的二维材料，从宽带隙绝缘体（例如 h-BN）、半导体（例如 MoS2）和极性金属（例如 Ga）到超导体（例如 NbSe2）、铁磁体 （例如 CrI3）和量子自旋液体（例如 RuCl3）。 而且，具有不同特性的二维原子层可以堆叠在一起形成范德华(vdW) 异质结构，而不受传统异质结构中晶格匹配的限制。 这使得有机会在一种合成量子材料中结合不同成分的最佳特性，从而实现许多以前不可能实现的电子、光子、磁性和拓扑功能。有趣的是，几何莫尔超晶格是由于构成二维原子层之间的干涉而出现的，具有轻微的晶格失配和/或小的旋转扭曲。 这种莫尔超晶格引入了新的长度和能量尺度，并提供了一个平台来设计能带结构（包括单粒子态和集体激发）和奇异量子现象的光-物质相互作用。由于在魔角扭曲双层石墨烯(TBG) 中发现了相关的绝缘态和非常规超导性，在莫尔超晶格中发现了大量令人兴奋的电子、光学和光电特性， 包括莫尔激子、多功能量子光源、轨道铁磁性、维格纳晶态、条纹相、拓扑多铁序 、玻色子激子晶体和智能红外传感 。
图2莫尔超晶格以及莫尔物理学发展的时间线
图源：Science 379, 1313 (2023).
具有长波长周期性势能的莫尔超晶格提供了设计基本激发和光物质相互作用的方法，在莫尔中性和带电激子、共振杂化激子、莫尔极化子、莫尔声子和重建的集体激发等领域产生全新的光学调控手段。激子是一种库仑结合的电子-空穴对，它对材料的光学特性具有很大的影响，因此是新兴光子和光电应用发展的基础。最近的研究表明，莫尔超晶格开辟了在实空间和动量空间中调制激子准粒子的新途径，从而分别产生类似量子点的莫尔激子和Bragg-umklapp 莫尔激子。从实空间的角度来看，莫尔超晶格对激子施加了空间周期性势能。因此，激子可能会被困在莫尔势极小处，形成类似量子点的莫尔激子晶格，这是光学晶格中玻色子量子气体的固态类似物，对量子研究很感兴趣 光子学。最近，在MoSe2/WSe2 异质结构中证明了莫尔俘获的类量子点层间激子 (IXs)，表现为一系列具有超窄线宽（例如，~100 μeV）的离散光致发光 (PL) 发射线。特别是，莫尔势极小值位于保持三重旋转对称性的高对称位置。因此，莫尔俘获激子可以继承谷对比特性并表现出强烈的圆极化，这一特征将它们与随机外在势局域化的量子发射器区分开来。此外，由于类似量子点的限制，莫尔俘获激子也可以为单光子源和量子光子学提供平台。莫尔光电子学包含了能够产生、调制、检测、相互作用或控制光的电子器件的研究和应用，包括光电探测器、发光二极管、光伏器件、调制器等。例如，莫尔超晶格可以实现强大的中红外和远红外光响应。一般来说，莫尔超晶格预计会表现出强烈的光-物质相互作用和大的光响应。首先，形成具有大密度态的平坦微型能带可以增强动态电导率。其次，数十毫电子伏特数量级的超晶格带隙和相关绝缘间隙的出现可导致共振带间跃迁，从而有利于在长期寻找的中远红外甚至太赫兹范围内产生强烈的光响应。 当费米能级位于超晶格带隙时，莫尔狄拉克带顶部和空带底部之间的带间跃迁导致共振增强的动态电导率，从而导致TBG 中的强中红外光响应 莫尔超晶格，几乎是天然双层石墨烯的光响应性的 20 倍。因此，TBG 莫尔超晶格为长期寻求的中红外光电器件提供了一个有吸引力的材料平台。
图3莫尔激子和三重子
图源：Science 379, 1313 (2023).
文章指出，近年来，莫尔光子学和光电子学领域发展迅速。在过去不到 5 年的时间里，人们目睹了一系列多样化的莫尔光子和光电现象，包括但不限于莫尔激子和极化激元、共振杂化激子、重建的集体激发、强中红外光响应、智能光传感器和 太赫兹单光子探测等等。这不仅为基础科学研究的广泛新领域开辟了令人兴奋的可能性，也为各种复杂的物理现象和新兴技术创新勾勒出了光明的愿景。 文章认为，未来莫尔超晶格的一个发展方向是开发具有超高空间分辨率（<5 nm）的新型先进扫描探针技术，从而可以实现探测单个莫尔超晶胞中的光子和光电特性。 目前，莫尔光子学和光电子学的测量基于远场技术，光斑尺寸约为1 μm。 因此，检测到的结果是来自 10,000 多个莫尔单元的信号集合。 由于扭曲角不均匀性和器件制造应变的普遍存在，观察到的结果通常非常复杂且缺乏可重复性。 例如，一些波纹光子和光电现象仅由一个小组报告过，并且尚未被其他人重现。 开发可以局部探测单个莫尔晶胞内不同高对称点的光子和光电特性的新技术无疑将促进我们对当前的难题和矛盾，极大地促进了莫尔光子学和光电子学的进一步发展。考虑到有成千上万的二维晶体，而目前对莫尔光子学和光电子学的研究只集中在扭曲的石墨烯和扭曲的TMDCs 上，特别有趣的方向之一是探索新莫尔系统的奇特光子和光电现象，例如由二维铁电、磁性和多铁性晶体组成的莫尔超晶格。 特别是，磁性莫尔超晶格可以显示出一种纳米级域的模式，这种模式与层状反铁磁和铁磁状态交替出现。因此，磁性莫尔超晶格能够在纳米尺度上控制磁序、对称性破缺和层间杂化，为工程光子和光电特性开辟了巨大的可能性——例如，非互易二次谐波的产生，磁振子激子耦合和非弹性光散射。除了单个莫尔条纹，包含两个或多个单个莫尔超晶格的莫尔景观提供了另一个方向，这些有可能引发新莫尔光子学和光电子学的下一个“淘金热”。参考文献：
Luojun Du, Maciej R. Molas, Zhiheng Huang, Guangyu Zhang, Feng Wang, Zhipei Sun. Moiré photonics and optoelectronics.Science 379, 1313 (2023).
