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受访者：	袁声军老师	记 者：	DeepTech深科技
时 间：	7月25日之内即可	手 机：	13255266906
方 式：	文字	邮 箱：	huweiwei@deeptechchina.com

 

 

 

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很荣幸可以采访您，问题如下：

Q：（该问题建议多回答些）关于研究背景和意义，该工作是发现了新知识，还是解决了此前领域内存在的问题？请您展开详细谈谈。

这项工作是关于里德堡莫尔激子的实验发现，也就是在二维半导体材料WSe2中发现了一种被莫尔超晶格势场束缚和调控的里德堡激子态。激子是半导体材料在光激发下形成的一种由电子-空穴组成的准粒子，里德堡激子则是其中的“巨人”版本，类似于氢原子模型中的高激发态，其空间分布的跨度比较大，有较大的电偶极矩，对于非常微弱的外场也能产生较强的响应。近年来，在冷原子研究领域，对里德堡原子的囚禁和调控技术发展迅速，相应的基于里德堡原子的量子模拟与量子计算受到了广泛的关注。而里德堡激子态的操控则面临诸多挑战。以过渡金属硫化物（TMDC）为代表的二维半导体材料中的里德堡激子态具有较强的库伦相互作用，相对于其三维结构更易于通过界面进行多场调控。这项工作是借助于小角度转角石墨烯形成的莫尔超晶格势来束缚和调控单层WSe2中的激子，得到了“巨人”版本的里德堡莫尔激子，为其在量子技术等方向的应用上提供了新的途径。

Q：审稿人是如何评价（夸赞）的？

审稿人的评价挺高的，认为结果非常重要 （these results to be very important），是及时的新发现（these results are new and timely），《科学》杂志的编辑对这项工作也很认可，在我们提交了对第一轮审稿意见的回复之后，就直接接收了论文。

Q：假如该成果具有一定应用前景，那么在若干年内，该成果有哪些潜在的具体应用？

里德堡莫尔激子未来在量子测量、量子模拟和量子计算等量子技术方面都有潜在的应用空间，这一点可以参考近年来飞速发展的里德堡冷原子体系。

Q：（该问题建议多回答些）请您回顾一下该研究从定下课题、到研究成功，具体有哪几个步骤或阶段？

这项研究首先是源自于中国科学院物理研究所许杨团队的意外实验发现。2020年，许杨团队首次提出了“里德堡激子探测”法，也就是用二维半导体里的里德堡激子去探测邻近材料的性质。当他们在用这种方法探测小角度转角石墨烯时，发现了一个有趣的现象： 2s的里德堡激子态（尺寸约为7纳米）随栅压调控表现出了显著的红移，表明里德堡激子的能量降低了，很可能处于束缚状态。此外，里德堡激子的能量红移还会随转角大小变化而改变。这个意外的实验发现之后也促成了我和许杨的第一次合作。在和实验团队讨论之后，我意识到这是一个非常有意思的问题，同时也是一个极有难度的问题，需要对庞大而复杂的原子体系进行精确的电子结构计算。例如实验样品中0.6°转角石墨烯莫尔超晶格的原胞包含三万多个原子，远远超过了常规第一性原理计算的范围。即便是基于二次量子化的紧束缚模型，求解起来也麻烦，因为需要找到电子的所有占据态，计算量非常大。常规的求解方法是基于定态薛定谔方程，需要对哈密顿量进行对角化运算，计算复杂度和体系大小的三次方成正比。刚好我们发展了一套低标度的计算物理方法DFPM（Density Functional Propagation Method），完美绕开了常规计算方法中的对角化过程，可以直接应用到这个问题中。我们在自己开发的计算软件TBPLaS中把新方法实现之后，可以对实验中涉及的大尺度体系进行快速而精确的计算，很快找到了解释实验现象的关键点：转角石墨烯中周期性的莫尔超晶格会自发重构，并且在转角较小时，空间电荷分布高度局域化。电荷的局域化分布导致体系中出现周期性莫尔势场，就像冷原子体系中的光学晶格一样，能够“困住”里德堡激子。莫尔周期的大小与转角的大小近似成反比，因此可以通过控制转角大小使莫尔周期刚好落在纳米级的区间，把里德堡激子装在里面。

Q：研究中有哪些难忘的事情？讲故事即可，可以是人事物等各个方面的。

这个研究从实验的角度而言源自于意外的发现，从理论的角度也是我们的一个意外的收获。这次合作研究中，我们运用了一种新的计算物理方法，它原本是为了解决另一个问题而开发的，但恰好适用于这个实验体系的模拟。说起来这也是一个比较长的故事。2016年底我回国后，设定了两个新目标：一个是基于我在国外工作发展的TBPM(Tight-binding Propagation Method)方法开发计算软件TBPLaS，另一个则是发展新方法DFPM。经过五年的努力，终于在2022年完成了这两个目标：TBPLaS基于TBPM方法，实现了对固体电子体系电学、光学、输运和等离激元性质的无对角化计算，资源消耗与体系大小线性相关，模拟尺寸的跨度达到近10个数量级，可以对数十亿原子组成的复杂体系进行精确的电子结构计算；DFPM方法实现了从哈密顿量到电子空间密度的无对角化自洽计算，可以将密度泛函理论计算推广至百万原子体系。当许杨告诉我他们实验体系的时候，我告诉他只要把我们DFPM新方法推广到TBPM方法中，就可以大幅度降低计算的难度。新方法的核心是把求解定态薛定谔方程的问题，转化为求解含时薛定谔方程的问题，绕开对角化的过程，可以把计算的复杂度从O(N³)降低为O(N)。这个变化其实是一个非常大的提升。比如说如果体系大小变为10倍，常规方法的资源消耗将变为10³=1000倍，但新方法只需要相应提升10倍。计算物理学的核心是研究新的数值方法，对于一些系统性的难题，可能需要搭建一个全新的方法体系，既要保证其科学性和准确性，又要保证新方法可以大幅超越旧方法。这个其实是一项“高风险工作”，新的方法体系可能搭不起来，或者搭起来又垮掉，对年轻人，无论是学生还是学者，都是不小的挑战。我们算是比较幸运地在迷雾中找到了一条路，并且成功地走了出来。

Q：下一步基于该研究是否有后续计划？如果有，请展开讲讲。

由超晶格体系形成的莫尔周期势为里德堡激子的进一步操控提供了可能性，后续这方面的实验和理论研究都会跟进，我们和许杨团队的合作也在继续。同时，这个研究中采用的计算物理新方法原本是在密度泛函理论框架下发展的，可以将第一性原理计算扩展至数百万原子体系，可基于含时演化方法进行大尺度的电学、光学、输运和等离激元性质计算，同时可以推广至分子动力学模拟（MD）、激发态（TDDFT）、准粒子（GW）、激子（GW-BSE）和磁性（DMFT）计算。在发展方法的同时，我们也会同步开发相应的第一性原理计算软件ABPLaS，相信在物理、材料、化学以及生物领域，都会有很大的应用空间。这些方法还有一个共性，就是体系越大算得越准，同时计算消耗是线性增加，所以非常适合复杂的大尺度体系。

Q：德国和荷兰等欧洲国家是物理科研的高地，在那里学习和工作让您有着哪些独特收获？

我在欧洲学习和工作了15年，确实有很多的收获。这里我想提其中的一点，讲一个小故事。我的博士生导师是荷兰格罗宁根大学的计算物理学家Hans De Raedt教授，他在退休前的十年时间里，一直在尝试做一件事情，通过数值方法让经典物理体系量子化，这是一个非常小众的领域，甚至与主流的研究（如何从量子力学出发推出经典力学）背道而驰，基本上没有同行，但是他做得很开心，现在退休好几年了，仍在继续做研究。我想这个是欧洲很多教授的一个共性：兴趣出发，长期耕耘，不计得失。这种非常纯粹的科学追求往往能促成原创性的科研成果，而科研工作者其实更多的是在享受这个过程，而不是最后的结果。

Q：基于哪些原因选择回国并加入武大发展？

我2001年本科毕业就出国了，当时的想法就很明确，出去看一看，学一学，然后再回国。后来在荷兰奈梅亨大学做助理教授，开始独立科研，也有了自己的研究方向，再加上父母的年龄也大了，感觉是时候回国了，所以就开始联系国内的高校。我是湖北恩施人，从武汉回老家很方便，而且武大的平台也很好，武汉的生活/购房成本也比较低，经济压力也比较小，所以就选择了武汉大学。回国后确实得到了很多的支持，不仅有更多的科研经费，还有很多优秀的学生，可以做更多有意思的工作。