许杨（左）与胡倩颖在实验室。受访者供图

■本报记者 韩扬眉 李思辉

许杨没想到，一个他起初不看好的课题能够开花结果。

近日，中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室特聘研究员许杨带着他的第一位博士生胡倩颖，与合作者在《科学》发表了一项最新研究成果。

他们打破了传统“极低温、超高真空、强激光”等苛刻的实验条件，在较为常规的条件下“捕捉”并“操纵”了一种准粒子——里德堡激子。

在准粒子世界中，里德堡激子不仅具有“绿巨人”般的身材，还具有超强力量，有可能被应用于量子计算和量子模拟等研究领域。

实际上，里德堡激子是一种不常被提及的准粒子。3年前，许杨还在美国康奈尔大学做博士后时，就意识到了它的存在，并认为其有望成为观测和研究量子世界的重要工具。此后，许杨便开始不断探索，如今终于将其“牢牢抓住”。

一次“无心插柳”

2月15日，许杨将成果论文向《科学》投稿，4月6日便收到了审稿人和编辑的反馈。他们提出了一些细节问题，并给出6周修改时间。许杨再次投送论文后的一周，就收到了“接收”的邮件。

相对高水平期刊大多2至3轮审稿、每轮审稿3个月的节奏来说，这个速度让许杨和胡倩颖特别吃惊。

毕竟，这个课题一开始只是个“备胎”。

2021年春天，还在南开大学读研究生的胡倩颖来到了许杨课题组进行联合培养。一年后，她考入中国科学院物理研究所，成为许杨的第一位博士生。当时，胡倩颖的研究重心是单层黑磷，但这项研究很难出结果，她的心情一度很郁闷。

“里德堡探测是许老师一直在做的研究，我很感兴趣，就想两个课题‘搭’着同时做。”这一想法得到了导师的同意。

过去几年里，许杨与合作者发展了一套光学“里德堡激子探测”方法。此外，近年来，由两个单原子层的石墨烯相互扭转叠加而成的转角石墨烯因其独特的物理性质，被许多科学家关注。他们用各种方法寻找转角石墨烯的量子物态。

“这些发现大多基于电学方法，而光学探测具有更高空间分辨率，我们想用光学方法对转角石墨烯中的量子物态做一些验证。”许杨告诉《中国科学报》。

那时，许杨刚回国不久，实验仪器尚未搭建好，自己的实验室也正在建设中，各方面条件都不成熟，他们便借用了极端条件物理重点实验室研究员张清明的实验仪器开展验证。然而，没过多久，张清明的实验室要“搬家”了。

“当时离测量只有一周时间，我知道不可能在这一周之内把单层黑磷样品做出来，但我可以把转角石墨烯样品做出来。”胡倩颖说。

一周内，她做了5个转角石墨烯与单层二硒化钨的异质结样品，测量期间又做了几个，一次同时下杆4个样品，用满样品座上的全部空间来节省测量时间。

与预期一致，他们发现，二硒化钨的光谱信号由“里德堡激子探测”机制主导，主要反映了介电函数的变化，例如在魔角石墨烯样品中探测到一系列对称性破缺的关联电子物态。

意外的是，在另一些样品中，电脑屏幕上出现了呈波浪形的异常光谱。在她制备的第8个，也就是那次测量的最后一个样品中，他们测到了这种“波浪”的角度依赖，确认了这绝不是偶然造成的假象，背后一定有真实的物理机制存在。

“非常漂亮，但不清楚是怎么回事。”师生多次讨论也未有结果。

理论与实验的完美合作

借用的实验室搬走了，自家的实验室还未建成，实验停滞了半年，但他们对异常数据的思考从未停止。

半年后，自家的仪器来了，胡倩颖在许杨的指导下，制备了更多的器件样品，再一次进行实验，同样的图像再一次出现了。

在大约0.6度小角度的转角石墨烯样品中，里德堡激子态随栅压调控，表现出显著的非单调的红移现象，能量最低处已经极其接近基态激子。他们将这个现象命名为“里德堡莫尔激子态”。

“正常情况下，比如大角度的转角石墨烯，随着栅压掺杂，它的能量应该是一个单调的减小。”胡倩颖说。

经过一年的探索，他们对这种现象的来源有了一些初步的猜测，于是找到武汉大学教授袁声军团队，结合其新发展的实空间大尺度计算物理方法进行理论分析。

袁声军告诉《中国科学报》，转角石墨烯体系的计算难度很大，比以往类似研究的计算量提高了数个数量级。他们利用自主发展的大尺度计算物理方法，对包含多达近千万原子的超大体系进行了精确的电子结构计算，发现莫尔超晶格中的空间电荷分布，对这一实验现象的产生起到了关键作用。

“当时我们最不能理解的是它非单调红移现象的来源，这个问题在算出空间电荷分布后还是没有搞懂，因为空间电荷分布似乎也是单调的。”胡倩颖说，“频繁的讨论依旧没有得出结果，我感觉做梦都在想这个问题。直到有一天，我5点醒了躺在床上想，突然就找到了答案。虽然当时详细的电荷分布还没算出来，只有态密度的数据，但我看着寝室的天花板，知道这次一定猜对了。”

一个月后，0.6度转角石墨烯的空间电荷分布结果出来了。

胡倩颖表示，单独看某一个区域，电荷密度的增长的确是单调的，但只要将电荷密度最高与最低的区域做一个减法，一条再熟悉不过的非单调曲线就会浮现在眼前，与实验几乎完全吻合。这是里德堡激子中的电荷在空间上分别处于不同堆叠区域造成的直接结果。

在该体系中，转角石墨烯中产生的周期性莫尔势场类似于冷原子体系中的光晶格，为里德堡激子提供了一个高度可调的束缚势场。

这个势场就像地势一样——有高地、有洼地，正如水往低处流，里德堡激子其中的电荷也会一个个地跳到洼地去，而当它们掉到“坑”里时便被“囚禁”了，也就意味着科学家“抓住”了里德堡激子。

“一直以来，里德堡激子态与周围介电层的层间相互作用较弱，如何对里德堡激子进行调控形成强相互作用以及实现空间囚禁，是迫切需要解决的问题。”许杨说。

不好操纵的“绿巨人”

里德堡激子被称作激子界的“巨人”，它有着许多优质特性，比如可以在半导体里自由移动、能够对周围环境的改变产生较大响应等。

第一次在固态体系中“捕捉”到里德堡激子，也是受到《科学》编辑部青睐的关键。

就像电影《绿巨人》中所演绎的，人受到强力辐射后，便会诱发身体里的神秘力量，变为拥有超强力量的绿巨人。这种在现实中很难实现的事，却在固体中通过构造精妙的材料实现了。

这一研究开辟了新的研究路线，具有重要意义。里德堡莫尔激子态的实验发现，系统展示了对于里德堡激子的可控调节及空间束缚，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一条潜在途径。

在许杨看来，自由探索研究能够取得巨大突破，并非前期就有设计，而是大多来自意外的发现，并在此之后不断思考，再挖掘背后的机理。

事实上，这也是里德堡莫尔激子研究中最困难的地方，它并非是在实验中测到即发现的，而是在漫长的探索中一层层为之揭开神秘的面纱。

“通过对数据进行详细分析、与不同的合作者讨论交流，发现与一些物理机制产生关联，这样才能获得真正有价值的科学发现。”许杨说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adh1506