拓?fù)浼ぷ咏^緣體是激子絕緣體疊加了拓?fù)湫再|(zhì)后誕生的新奇量子物態(tài)，在量子計(jì)算、新型光電器件、柔性電子設(shè)備等前沿科技領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所（以下簡稱半導(dǎo)體所）與浙江大學(xué)合作，通過理論計(jì)算，在單層二硒化鎢（WSe?）中發(fā)現(xiàn)了具有極強(qiáng)穩(wěn)定性的拓?fù)浼ぷ咏^緣體。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大量激子凝聚時(shí)，材料表面呈現(xiàn)出一張神奇的“量子條紋地毯”——拓?fù)浼ぷ用芏炔ǎ@為量子材料研究提供了新的體系和思路。

01

潛力候選者：

拓?fù)浼ぷ咏^緣體

要認(rèn)識拓?fù)浼ぷ咏^緣體，需要先了解什么是激子。

當(dāng)光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，會形成電子和空穴（電子的“空缺位”）。電子和空穴通過庫侖力緊緊“綁定”，形成一種準(zhǔn)粒子束縛態(tài)，這就是激子。激子的形成，顯著影響著半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和相關(guān)器件的性能。

把激子拆分成自由的電子和空穴所需的能量，被稱為激子的束縛能。20世紀(jì)60年代，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者莫特教授曾預(yù)言，當(dāng)激子的束縛能大于半導(dǎo)體能隙時(shí)，大量激子將“抱團(tuán)”凝聚，進(jìn)而產(chǎn)生一種宏觀相干的量子物態(tài)——激子絕緣體。

理解激子絕緣體，不僅對于理解半導(dǎo)體物理、多體物理等相關(guān)領(lǐng)域的基本原理具有重要意義，還有望應(yīng)用于優(yōu)化半導(dǎo)體器件。如今，激子絕緣體已成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)新的低維系統(tǒng)和量子結(jié)構(gòu)。

當(dāng)激子絕緣體被“拓?fù)湫再|(zhì)”（材料在連續(xù)變形下保持不變的結(jié)構(gòu)特征）加持，其電子態(tài)會變得異常穩(wěn)定，即便遭遇外界微小擾動也能維持原狀。這種拓?fù)浼ぷ咏^緣體既能抵抗干擾，又能高效傳遞量子信息，被視為量子計(jì)算與柔性電子設(shè)備的潛力候選者。

02

激子物理的

“理想實(shí)驗(yàn)室”

2017年，半導(dǎo)體所聯(lián)合北京大學(xué)等通過實(shí)驗(yàn)和理論研究，在銦砷/鎵銻（InAs/GaSb）量子阱里發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浼ぷ咏^緣相，但一直未找到相關(guān)材料。

此前預(yù)言的“激子束縛能大于半導(dǎo)體能隙”，使得激子絕緣相通常只在窄帶隙半導(dǎo)體或半金屬里出現(xiàn)，這為尋找拓?fù)浼ぷ咏^緣體造成了困難。為此，半導(dǎo)體所科研團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了特別的二維材料——單層二硒化鎢。

單層二硒化鎢被看作是研究激子物理的“理想實(shí)驗(yàn)室”，這源于它的三大優(yōu)勢。

首先，它可以在實(shí)驗(yàn)室中成功制備，且厚度極薄，僅有三個(gè)原子層。因此，其激子效應(yīng)非常顯著，激子束縛能也很大。

其次，它有局域價(jià)帶平帶，這意味著電子在價(jià)帶頂部運(yùn)動的速度極慢，就像空穴發(fā)生了“堵車”一樣。而這使得電子和空穴之間的吸引力變得更強(qiáng)。

最后，常規(guī)半導(dǎo)體中，激子壽命相對較短（納秒量級），難以開展激子物理的實(shí)驗(yàn)研究。而二硒化鎢間接帶隙大，形成的間接激子壽命更長。

▲拓?fù)浼ぷ咏^緣相的計(jì)算

03

為量子器件研發(fā)

推開一扇門

科研團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算和求解Bethe-Salpeter方程發(fā)現(xiàn)：單層二硒化鎢是人們一直尋找的拓?fù)浼ぷ咏^緣體的候選材料。

值得注意的是，其激子能帶最低點(diǎn)偏離了常規(guī)的零動量位置，而在有限動量處形成了能量“洼地”。

也就是說，這些激子被稱為“暗激子”，幾乎不發(fā)光，且能量更低、更穩(wěn)定，這也是形成拓?fù)浼ぷ咏^緣相的關(guān)鍵。

科研團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，即使對材料施加3%的面內(nèi)應(yīng)變，其拓?fù)湫再|(zhì)依然穩(wěn)定，這為柔性電子器件開發(fā)提供了可能。

通過求解方程，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：當(dāng)大量激子凝聚時(shí)，會自發(fā)形成條紋圖案的密度波，仿佛在材料表面織出一張“量子條紋地毯”——這種神奇的拓?fù)浼ぷ用芏炔ㄐ?yīng)此前僅在少數(shù)材料體系中觀察到。

并且，當(dāng)激子在材料中“集體起舞”時(shí)，它們的密度會呈現(xiàn)周期性條紋。這種圖案源于兩個(gè)動量相反的激子分支（位于動量空間的±Λ點(diǎn)）的量子干涉效應(yīng)。通過調(diào)控這種集體運(yùn)動模式，科學(xué)家有望設(shè)計(jì)出低能耗的量子傳輸器件。

▲非零速度的條紋相的拓?fù)浼ぷ用芏炔?/p>

該研究不僅首次在單層二硒化鎢中實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浼ぷ咏^緣體，更揭示了激子關(guān)聯(lián)與拓?fù)湮锢淼纳顚勇?lián)系。這一工作為探索激子絕緣體及其他激子相關(guān)物性在二維材料中的應(yīng)用推開了一扇門。

未來，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，這類“量子條紋地毯”將從理論走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，推動發(fā)現(xiàn)更多性能優(yōu)越的激子絕緣體。

來源：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

責(zé)任編輯：曹旸