扭转双层MoTe2中双激子涌现的Kagome晶格与非阿贝尔规范场：量子计算与谷比特操控的新范式

研究团队在近零度扭转双层MoTe2中发现双激子（biexciton）通过电子-空穴库仑交换作用形成Kagome晶格结构，其谷翻转跃迁（valley-flip hopping）构建了U(2)×U(2)非阿贝尔规范场。该工作首次在复合粒子体系中实现几何约束与多体相互作用的协同调控，通过局域门控成功演示非阿贝尔Aharonov-Bohm效应，并实现谷伪自旋贝尔态（Bell state）的确定性制备，为拓扑量子计算和激子量子光学提供了新途径。

　　

在量子材料研究的前沿领域，非阿贝尔规范场因其非对易特性成为拓扑量子计算的核心载体。然而现有体系面临两大挑战：一是冷原子/光学系统难以实现微观调控，二是电子体系中的非阿贝尔规范场探测受限于技术手段。扭转过渡金属二硫化物（t-TMD）因其可调的摩尔超晶格和强关联效应，为这一难题提供了新思路。

香港大学（The University of Hong Kong）的研究团队在《National Science Review》发表研究，发现扭转双层MoTe₂中双激子可自发形成Kagome晶格结构。通过蒙特卡洛模拟确认双激子在10 nm摩尔周期下具有~10 meV结合能，在20 K温度下占比超30%。关键突破在于：电子-空穴库仑交换（Coulomb exchange）诱导的谷翻转跃迁（t_f≈3 meV）主导了双激子动力学，其相位因子φ_j构成U(2)×U(2)规范场。研究采用紧束缚模型计算能带结构，结合局域电场调控双激子四极矩（quadrupole moment）实现路径隔离，最终通过非阿贝尔Aharonov-Bohm干涉实现谷比特纠缠。

主要技术方法

1. 基于微观相互作用的蒙特卡洛模拟确定双激子稳定区间

2. 第一性原理计算摩尔超晶格中激子杂化（hybridization）比例

3. 紧束缚模型构建Kagome晶格哈密顿量（式1）

4. 局域门控技术实现双激子路径选择性耦合

双激子Kagome晶格与非阿贝尔规范场

理论模型显示，双激子在摩尔蜂窝晶格NN键上形成三类四极构型（D₁-D₃），通过共享B/C位点构成Kagome晶格。谷翻转跃迁算符h_j=e^iφ_jσ_z?σ_x呈现非对易性，环路算符U_?^CW=I?σ_x与U_?^CW=e^i2πσ_z/3?e^i2πσ_z/3满足[U_?,U_?]≠0（图1f）。能带计算发现Γ点存在六重简并的狄拉克锥，沿K-Γ-K方向出现节环零模（nodal-ring zero-modes）（图3a）。

非阿贝尔AB效应与量子操控

利用双激子四极矩对电场梯度的响应，通过局部栅极（图4a红色区域）实现路径隔离。在菱形干涉路径中，初始态|n?_B|n?_C经非阿贝尔相位积累演化为最大纠缠态（S=ln 2）。特别地，六边形环路可将基态|τ?_B|τ′?_C确定性地转换为贝尔态e^iτ′2π/3|-τ?_B|τ′?_C+e^-iτ2π/3|τ?_B|-τ′?_C（图4d-e），其谷偏振比ρ可通过双激子发射光子线性偏振角检测。

该研究开创性地在复合粒子体系中实现非阿贝尔规范场操控，其核心价值在于：

1. 将规范场产生机制拓展至"摩尔电子结构+多体相互作用"协同约束的新范式

2. 四极矩双激子兼具光学可读性与电控可调性，克服了电子体系难以探测的瓶颈

3. 为基于激子谷比特的量子计算提供了无需外磁场的纠缠门方案

   研究团队指出，该机制可推广至近零度扭转的其他TMD同质双层体系，但MoTe₂因K谷激子能级优势及强电极化背景具有最佳可实现性。