来自日本冲绳科学技术大学院大学(OIST)、美国SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家们在《自然》杂志上发表了一篇文章，该研究团队在世界上首次对一种被称为“莫尔(moiré)激子”的独特粒子的两个部分进行了成像和测量。

激子有可能彻底改变技术和量子设备，但它们通常在自然界中转瞬即逝，一般持续时间不超过几十亿分之一秒，这使得它们难以研究。但莫尔激子往往寿命更长，因此是研究粒子及其潜在应用的一种有吸引力的方法。然而，关于它们的大小、形状和行为的信息我们仍不清楚。

当光照射在半导体材料上时会产生激子，被称为“光子”的光粒子会与材料的电子发生相互作用，这会导致电子跃迁到更高的能级。每个电子都会在较低的能级上留下一个空穴。空穴和电子带相反的电荷，因此它们会相互吸引并相互围绕旋转，会形成短寿命的激子。

Vivek Pareek是本文的六位第一作者之一，也是OIST飞秒光谱学科的博士候选人。他说：“我们之前已经在激子消失之前对其电子部分进行了观察。在这项新研究中，我们测量了激子的两个部分。这是我们第一次看到空穴(或缺少电子的空位)。”

同一部门的科学家、文章第一作者之一Michael Man博士补充道：“这是一项非常令人兴奋的研究，可能会产生巨大的影响。激子利用了它们所在材料的特性。通过控制激子的材料和环境，我们可以控制激子本身。”

在他们之前的研究中，科学家们在二维单层半导体中观察到了激子。现在，研究人员将两个半导体层堆叠在一起。当激子形成时，电子会从一层跳到另一层。这迫使电子和空穴分开了更长的时间，从而延长了激子的寿命。这个二维的、两层的样本是在SLAC和斯坦福大学的实验室中创建的。这两个层必须以一种非常特定的方式进行对齐，以创建出一个名为moiré(莫尔)的模式。

Ouri Karni也是该研究的第一作者、SLAC和斯坦福大学的博士后研究员。他说：“想象一下，这两种不同材料的原子结构就像两个网。它们的结构彼此相似，但并不完全相同。当网相互叠放时，网中的缝隙会在某些地方重叠，而在其他地方则不会。这就产生了莫尔条纹。我们以非常特定的角度排列这些原子“网”，这样它们会清楚地显示出莫尔图案。而这反过来又表达了所谓的莫尔势，这是一种跨越材料的电子能级的周期性‘景观’。”

然后他们将该样本送到OIST，科学家们在那里使用了一种强大而独特的技术。他们在材料上照射了一种极紫外范围内的光束。光速能量非常高，以至于激子都被分解，它们的电子被从材料中发射出。通过测量电子离开材料时的速度和角度，科学家们能够回溯这些信息并构建激子的图像。

也许这项研究中最重要和最令人兴奋的部分是——无论是在概念上还是在实验上——科学家们现在也能够看到这个空穴。由于这个空穴实际上是没有电子的，它不会发出任何自己的信号，它的存在只能通过它周围的东西来检测，这类似于检测黑洞的方式。

Jonathan Georgaras是另一位第一作者，也是斯坦福大学Felipe Jornada教授理论组的博士候选人。他说：“这是一个非常强大的工具，它使我们能够获得激子的全貌。可以知道电子和空穴彼此相距多远，以及两者在材料中一起移动了多少。”

此外，他们还能够估计存在多少激子，这是他们仅凭电子信号无法做到的数据。研究人员发现，由于莫尔效应，激子非常局部化，并在能量最小的地方形成。这意味着激子被有效地固定在大约1.8纳米的小“口袋”中，尽管它们的直径相对较大，大约有5.2纳米。

该论文的高级作者、领导OIST飞秒光谱学科的Keshav Dani教授总结道：“在发现激子存在近一个世纪之后，我们现在能够通过观察它并对它的两个组成粒子进行成像，从而获得对这个重要粒子的近乎完整的了解…这项研究为利用激子探索更复杂的量子技术现象打开了大门。我们目前对将大莫尔激子固定在小口袋中的演示还只是一个开始。”（编译:Qtech）