一种控制激子间相互作用的方法，使我们更接近下一代电子产品

洛桑联邦理工学院工程师找到了一种方法来控制激子之间的相互作用，准粒子有一天可能会传输数据并取代电子设备中的电子。工程师的方法涉及将电场应用于二维半导体材料。

电子设备已经成为现代社会几乎所有方面的基本特征。然而，部分由于互联网的使用越来越多，它们在处理速度和小型化方面正在突破自己的极限。更重要的是，它们在传输和存储信息时会消耗大量能量，并在传输过程中损失一些能量。工程师们多年来一直致力于克服这些障碍，例如通过研究激子及其在二维材料中的行为。

激子由一个电子（带负电荷）和一个空穴（带正电荷）组成。它们掌握着下一代电子设备的关键，这些设备体积更小、速度更快、功耗更低。对于可以替代电子或与电子一起工作的激子，携带数据和运行计算的是光而不是电。由Andras Kis 教授领导的，洛桑联邦理工学院纳米电子与结构实验室(LANES)的博士生Fedele Tagarelli说：“光已经用于光纤。虽然光被广泛用于传输信息，但基于光的计算系统一直受到材料限制和可扩展性问题的阻碍。”

LANES的另一名博士生Edoardo Lopriore解释说：“与电子不同，激子在材料中移动时产生的热量要少得多，并且与光一起工作得很好。但要充分发挥它们的潜力，我们需要能够理解和控制它们的产生方式和相互作用方式，以及它们的速度和寿命。这一切都还在研究阶段。” 在理想条件下，激子可以达到超流体状态，这意味着它们可以在没有能量或阻力的情况下移动——因此没有任何功率损失。

排斥力

LANES的工程师与德国马尔堡大学和日本国家材料科学研究所的同事一起，专门研究了激子的一个关键特性：它们之间的排斥力。他们开发了一个由多层不同材料组成的测试系统。顶层和底层由金属制成，而中间部分由绝缘材料和半导体二维材料层组成，在本例中为二硒化钨(WSe2)，彼此堆叠并由范德瓦尔斯力结合在一起。二维材料具有极薄的独特特性，只有一层原子。Tagarelli说：“它们具有与3D材料完全不同的特性，让我们可以探索新的物理现象”。

工程师们在他们的设备上施加了一个电场，发现他们可以控制激子的排斥相互作用。Tagarelli说：“据我们所知，这是第一次证明这种控制，或者至少以如此简单的方式。我们发现了一种控制混合激子之间相互作用的新方法，这可以为凝聚态物理学的研究提供独特的机会。” 在之前的一项研究中，LANES的工程师成功地控制了激子的寿命和运动。

为了让工程师的方法起作用，激子不应直接受到电流影响，而是能够“感知”电场，因此外部金属层和内部绝缘层可以保护半导体二维材料。工程师的实验在4开尔文的极低温度下进行的。

“这一发现进一步扩展了我们控制激子的工具包，以便有一天它们可以用于以对环境更负责任的方式处理数据”，Kis说。

这项研究于4月20日发表在《自然光子学》期刊。

doi:10.1038/s41566-023-01198-w