摘要gydF4y2B一个
将粒子限制在德布罗意波长以下的距离可以离散它们的运动状态。这种基本效应可以在许多物理系统中观察到，从局限在原子中的电子到量子点gydF4y2B一个1gydF4y2B一个，gydF4y2B一个2gydF4y2B一个到被困在光镊里的超冷原子gydF4y2B一个3.gydF4y2B一个，gydF4y2B一个4gydF4y2B一个．在固态光子学中，一个长期的目标是实现光学活性电子-空穴对(即激子)的完全可调谐量子限制。现有的限制激子的方法主要依靠材料调制gydF4y2B一个5gydF4y2B一个，它对俘获电位的能量和位置控制不好。这严重阻碍了大规模量子光子系统的工程。在这里，我们演示了二维半导体中中性激子的电控量子限制。通过将门定义的平面内电场与横向p-i-n结中激子和自由电荷之间的固有相互作用相结合，我们实现了激子限制在10 nm以下。激子运动的量子化在测量的光学响应中表现为连续体以下离散电压依赖状态的阶梯。此外，我们观察到我们的限制势导致了激子的相对波函数的强烈修正。我们的技术为创建相同单光子源的可扩展阵列提供了一条实验路线，并对实现强相关光子相位具有广泛的意义gydF4y2Ba6gydF4y2B一个，gydF4y2B一个7gydF4y2B一个以及片上光学量子信息处理器gydF4y2B一个8gydF4y2B一个，gydF4y2B一个9gydF4y2B一个．gydF4y2B一个
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确认gydF4y2B一个
感谢A. Srivastava、I. Schwartz、R. Schmidt、A. Bergschneider和N. Lassaline的深入讨论。这项工作是在国家研究计划NCCR QSIT的范围内完成的，该计划由瑞士国家科学基金会(SNSF)资助，并由SNSF拨款200021-178909/1支持。P.A.M.感谢在Marie skodorska - curie资助下的欧盟地平线2020计划(843842)资助。K.W.和T.T.感谢日本MEXT开展的元素战略计划，JSPS和CREST(批准号JPMJCR15F3)和JST的A3 Foresight的支持。D.T.和D.J.N.感谢SNSF在200021-165559下的支持。感谢美国NTT研究公司的支持。MoSe的合成gydF4y2Ba2gydF4y2B一个装置2中的晶体得到了美国国家科学基金会材料研究科学与工程中心DMR-2011738的支持。gydF4y2B一个
作者信息gydF4y2B一个
作者及隶属关系gydF4y2B一个
贡献gydF4y2B一个
p.a.m.， A.I.和D.T.构思了这个项目。d.t.， T.S.和P.A.M.进行了实验。D.T.进行静电模拟，输入来自P.A.M.和a.p.d.t.制作的设备1和X.L.制作的设备2。内务部做了精确的对角线计算。A.P.协助测量、设备制造和模拟。K.W.和T.T.提供了h-BN晶体。S.L.和K.B.提供了摩西gydF4y2Ba2gydF4y2B一个用于设备2的晶体。M.K.和T.C.协助P.A.M.和D.T.进行实验设置。p.a.m.， D.T.和A.I.写了手稿。a.i.， D.J.N, M.K.和P.A.M.监督这个项目。gydF4y2B一个
相应的作者gydF4y2B一个
道德声明gydF4y2B一个
相互竞争的利益gydF4y2B一个
d.t.， p.a.m.， M.K, A.P.和A.I.正在为本工作中描述的想法寻求专利保护。gydF4y2B一个
同行评审gydF4y2B一个
同行评审信息gydF4y2B一个
自然gydF4y2B一个感谢米哈伊尔·格拉佐夫、黄立白和另一位匿名审稿人对本研究的同行评议做出的贡献。gydF4y2B一个同行评审报告gydF4y2B一个是可用的。gydF4y2B一个
额外的信息gydF4y2B一个
出版商的注意gydF4y2B一个施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。gydF4y2B一个
扩展的数据图形和表格gydF4y2B一个
扩展数据图1设备的静电模拟。gydF4y2B一个
电荷密度的大小|gydF4y2B一个σgydF4y2B一个（gydF4y2B一个xgydF4y2B一个)|，面内电场|gydF4y2B一个FgydF4y2B一个xgydF4y2B一个|和激子限制势gydF4y2B一个VgydF4y2B一个（gydF4y2B一个xgydF4y2B一个)作为可变TG电压的位置函数gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个及固定BG电压gydF4y2B一个VgydF4y2B一个BGgydF4y2B一个= 4v。BG延伸到从- 80nm到80nm的整个绘制位置范围。TG从- 80 nm延伸到0 nm，边缘在gydF4y2B一个xgydF4y2B一个= 0。不同的充电配置，即n-n-n (gydF4y2B一个一个gydF4y2B一个，gydF4y2B一个bgydF4y2B一个)， i-i-n (gydF4y2B一个cgydF4y2B一个，gydF4y2B一个dgydF4y2B一个)和p-i-n (gydF4y2B一个egydF4y2B一个，gydF4y2B一个fgydF4y2B一个)，表示约束势随的函数的演化gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个．gydF4y2B一个
图2器件1的掺杂特性gydF4y2B一个
我们利用排斥性极化子态随电荷密度的能量位移，得到了器件的掺杂构型。因为RP态存在于器件的I区和II区以及电子和空穴边，所以我们使用这个符号gydF4y2B一个\ ({{\ rm {RP}}} _ {{\ rm{地区}}}^ {{\ rm{电荷}}}\)gydF4y2B一个表示不同的状态。gydF4y2B一个一个gydF4y2B一个，归一化反射率ΔgydF4y2B一个RgydF4y2B一个/gydF4y2B一个RgydF4y2B一个测量固定gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个= - 6v作为的函数gydF4y2B一个VgydF4y2B一个BGgydF4y2B一个，其中我们主要观察区域I的特征。gydF4y2B一个bgydF4y2B一个,ΔgydF4y2B一个RgydF4y2B一个/gydF4y2B一个RgydF4y2B一个测量固定gydF4y2B一个VgydF4y2B一个BGgydF4y2B一个= 1.8 V作为的函数gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个，我们观察到区域II的光谱变化。除了来自区域II的特征外，我们还看到来自区域I的排斥极化子共振gydF4y2B一个EgydF4y2B一个≈1648 meV，不受gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个．gydF4y2B一个cgydF4y2B一个，在固定能量下的归一化反射率gydF4y2B一个EgydF4y2B一个X0gydF4y2B一个+ Γ/2 = 1645 meV，其中Γ为裸2D激子线宽。水平实线划分了I区n掺杂、中性掺杂和p掺杂的区域，识别了I区和II区在不同电压状态下的掺杂构型。例如，在左上角，这是这项工作的相关状态，掺杂构型是(II, I)≡(p, n)。gydF4y2B一个dgydF4y2B一个，显示区域I和II的设备示意图，以及与单层电接触的位置。gydF4y2B一个
扩展数据图3设备2中的电可调谐量子限制。gydF4y2B一个
一个gydF4y2B一个，设备2的光学显微照片，其中MoSe的轮廓gydF4y2B一个2gydF4y2B一个单层由红线表示。由少层石墨烯制成的TG和BG用虚线表示。gydF4y2B一个bgydF4y2B一个，设备2原理图。gydF4y2B一个cgydF4y2B一个，在少层石墨烯TG边缘的光谱gydF4y2B一个VgydF4y2B一个BGgydF4y2B一个= 1 V表明在二维连续介质以下出现了离散状态，这与装置1中的观察结果非常一致(图1)。gydF4y2B一个2 bgydF4y2B一个）.gydF4y2B一个dgydF4y2B一个，谱线在gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个= 0v， - 4v和- 9v表示随着电势的加深而出现限制态。由于设计的差异，特别是h-BN间隔层的厚度，两个器件之间的确切电压范围和红移幅度可能不同。gydF4y2B一个
图4 n-i-p状态下的量子限制。gydF4y2B一个
归一化反射率ΔgydF4y2B一个RgydF4y2B一个/gydF4y2B一个RgydF4y2B一个的函数gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个固定gydF4y2B一个VgydF4y2B一个BGgydF4y2B一个=−7 V，对应于区域i中的空穴掺杂。我们观察到量子限制的定性特征与正文中所示的p-i-n体系相似，其中包括从排斥极化子(RPgydF4y2B一个−gydF4y2B一个)连续统gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个≳gydF4y2B一个2.5 V。gydF4y2B一个
图5反射率数据的线形分析。gydF4y2B一个
一个gydF4y2B一个，谱线由式(gydF4y2B一个8gydF4y2B一个)适合于裸二维激子跃迁gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个=−3.5 v。gydF4y2B一个bgydF4y2B一个，反射率线切割在gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个=−6.2 V拟合由几个窄谱剖面的叠加gydF4y2B一个\({\总和}_{我}年代(E, E{} _{0},{\伽马}_{},{一}_{},{\α}_ {c}) + S (E, E {} _ {{\ rm {RP}}},{\伽马}_ {{\ rm {RP}}},{一}_ {{\ rm {RP}}},{\α}_ {{\ rm {RP}}}) \)gydF4y2B一个cgydF4y2B一个，各个组件的配合。gydF4y2B一个dgydF4y2B一个，通过设置去除线不对称后的单个组件gydF4y2B一个αgydF4y2B一个cgydF4y2B一个而且gydF4y2B一个αgydF4y2B一个RPgydF4y2B一个为0°。得到的整体线形状用红色显示。gydF4y2B一个egydF4y2B一个，处不同共振的拟合程序结果gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个=−6.2 v。gydF4y2B一个
扩展数据图6设备1和设备2在正交偏振角下的PL光谱。gydF4y2B一个
一个gydF4y2B一个在器件1中，所有离散态沿栅极边缘呈线极化，线极化程度高。gydF4y2B一个bgydF4y2B一个在装置2中，由于h-BN间隔层较厚，限制较弱，这导致了两者的观测gydF4y2B一个xgydF4y2B一个极化和gydF4y2B一个ygydF4y2B一个-具有有限能量分裂的偏振态gydF4y2B一个δgydF4y2B一个大约1mev。未修改的共振gydF4y2B一个EgydF4y2B一个−gydF4y2B一个EgydF4y2B一个二维gydF4y2B一个约0.5 meV对应热重下该区域的排斥性极化子发射。gydF4y2B一个
图7不同光学共振的线偏振各向异性。gydF4y2B一个
一个gydF4y2B一个， pl bg (gydF4y2B一个VgydF4y2B一个BGgydF4y2B一个)在裸机上进行扫描gydF4y2B一个2gydF4y2B一个远离TG区。gydF4y2B一个bgydF4y2B一个，gydF4y2B一个cgydF4y2B一个， pl tg (gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个)扫描。gydF4y2B一个dgydF4y2B一个- - - - - -gydF4y2B一个fgydF4y2B一个， I、II和III区域光学跃迁的偏振依赖关系，分别用紫色、品红和橙色表示。将激子、空穴侧吸引极化子和电子侧吸引极化子分别用圆、叉和破折号标记。gydF4y2B一个
图8 PL共振能量对激发功率的依赖性。gydF4y2B一个
一个gydF4y2B一个， X的共振能的位移gydF4y2B一个二维gydF4y2B一个(蓝色)和XgydF4y2B一个质量控制gydF4y2B一个(黑色)相对于它们在最低激发功率下测量的能量的状态。gydF4y2B一个bgydF4y2B一个，能量在两个连续的量子约束态之间随功率分裂的演化。阴影区域表示拟合的误差。gydF4y2B一个
扩展数据图9提取gydF4y2B一个ggydF4y2B一个-因子和零场分裂。gydF4y2B一个
ggydF4y2B一个因素(gydF4y2B一个一个gydF4y2B一个)和零场分裂gydF4y2B一个δgydF4y2B一个作为TG电压的函数gydF4y2B一个VgydF4y2B一个TGgydF4y2B一个（gydF4y2B一个bgydF4y2B一个)，通过拟合在有限磁场范围内获得的反射谱来确定gydF4y2B一个BgydF4y2B一个= 0-16 t。阴影区域表示拟合误差。gydF4y2B一个
扩展数据图10交叉电场和磁场中激子相对运动的精确对角化。gydF4y2B一个
一个gydF4y2B一个， MLESO能量作为面内电场强度的函数gydF4y2B一个FgydF4y2B一个xgydF4y2B一个在gydF4y2B一个BgydF4y2B一个= 0 t。根据直流斯塔克效应，观察到电场的二次依赖关系。gydF4y2B一个bgydF4y2B一个，概率密度|gydF4y2B一个ψgydF4y2B一个（gydF4y2B一个rgydF4y2B一个= 0) |gydF4y2B一个2gydF4y2B一个，与激子振子强度成正比，随电场的增大而减小约10-15%gydF4y2B一个FgydF4y2B一个xgydF4y2B一个．因此，在实验中所看到的振子强度的下降，应该主要来自激子的COM量子限制。gydF4y2B一个cgydF4y2B一个，gydF4y2B一个dgydF4y2B一个，计算概率密度|gydF4y2B一个ψgydF4y2B一个（gydF4y2B一个rgydF4y2B一个) |gydF4y2B一个2gydF4y2B一个为gydF4y2B一个FgydF4y2B一个xgydF4y2B一个= 0和gydF4y2B一个FgydF4y2B一个xgydF4y2B一个= 30v μmgydF4y2B一个−1gydF4y2B一个,分别。gydF4y2B一个egydF4y2B一个，概率密度|gydF4y2B一个ψgydF4y2B一个（gydF4y2B一个xgydF4y2B一个，gydF4y2B一个ygydF4y2B一个= 0) |gydF4y2B一个2gydF4y2B一个在电场的方向上gydF4y2B一个FgydF4y2B一个xgydF4y2B一个= 0(蓝色)和gydF4y2B一个FgydF4y2B一个xgydF4y2B一个= 30v μmgydF4y2B一个−1gydF4y2B一个(红色)。在有限电场中看到的振荡来自计算中假设的有限尺寸盒子的反射。黑色曲线是眼睛的向导，以显示存在于库仑势之外的波函数的小而有限的成分。gydF4y2B一个fgydF4y2B一个， MLESO能量相对于能量的位移gydF4y2B一个EgydF4y2B一个（gydF4y2B一个BgydF4y2B一个= 0 T)的函数gydF4y2B一个BgydF4y2B一个，表示不同的值gydF4y2B一个FgydF4y2B一个xgydF4y2B一个．预测的位移幅度与实验观测的幅度是相同的。gydF4y2B一个
补充信息gydF4y2B一个
权利和权限gydF4y2B一个
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引用本文gydF4y2B一个
Thureja, D, Imamoglu, A, smolezynski, T。gydF4y2B一个et al。gydF4y2B一个中性激子的电可调谐量子限制。gydF4y2B一个自然gydF4y2B一个606gydF4y2B一个， 298-304(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-04634-zgydF4y2B一个
收到了gydF4y2B一个：gydF4y2B一个
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发表gydF4y2B一个：gydF4y2B一个
发行日期gydF4y2B一个：gydF4y2B一个
DOIgydF4y2B一个：gydF4y2B一个https://doi.org/10.1038/s41586-022-04634-zgydF4y2B一个
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