量子材料新突破：单层二硒化钨中的神奇拓扑激子密度波 | 科技前线

拓扑激子绝缘体是激子绝缘体叠加了拓扑性质后诞生的新奇量子物态，在量子计算、新型光电器件、柔性电子设备等前沿科技领域极具应用潜力。

中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）与浙江大学合作，通过理论计算，在单层二硒化钨（WSe₂）中发现了具有极强稳定性的拓扑激子绝缘体。研究还发现，当大量激子凝聚时，材料表面呈现出一张神奇的“量子条纹地毯”——拓扑激子密度波，这为量子材料研究提供了新的体系和思路。

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潜力候选者：

拓扑激子绝缘体

要认识拓扑激子绝缘体，需要先了解什么是激子。

当光照射半导体材料时，会形成电子和空穴（电子的“空缺位”）。电子和空穴通过库仑力紧紧“绑定”，形成一种准粒子束缚态，这就是激子。激子的形成，显著影响着半导体的光学性质和相关器件的性能。

把激子拆分成自由的电子和空穴所需的能量，被称为激子的束缚能。20世纪60年代，诺贝尔物理学奖获得者莫特教授曾预言，当激子的束缚能大于半导体能隙时，大量激子将“抱团”凝聚，进而产生一种宏观相干的量子物态——激子绝缘体。

理解激子绝缘体，不仅对于理解半导体物理、多体物理等相关领域的基本原理具有重要意义，还有望应用于优化半导体器件。如今，激子绝缘体已成为凝聚态物理领域的研究热点，科学家不断发现新的低维系统和量子结构。

当激子绝缘体被“拓扑性质”（材料在连续变形下保持不变的结构特征）加持，其电子态会变得异常稳定，即便遭遇外界微小扰动也能维持原状。这种拓扑激子绝缘体既能抵抗干扰，又能高效传递量子信息，被视为量子计算与柔性电子设备的潜力候选者。

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激子物理的

“理想实验室”

2017年，半导体所联合北京大学等通过实验和理论研究，在铟砷/镓锑（InAs/GaSb）量子阱里发现了拓扑激子绝缘相，但一直未找到相关材料。

此前预言的“激子束缚能大于半导体能隙”，使得激子绝缘相通常只在窄带隙半导体或半金属里出现，这为寻找拓扑激子绝缘体造成了困难。为此，半导体所科研团队瞄准了特别的二维材料——单层二硒化钨。

单层二硒化钨被看作是研究激子物理的“理想实验室”，这源于它的三大优势。

首先，它可以在实验室中成功制备，且厚度极薄，仅有三个原子层。因此，其激子效应非常显著，激子束缚能也很大。

其次，它有局域价带平带，这意味着电子在价带顶部运动的速度极慢，就像空穴发生了“堵车”一样。而这使得电子和空穴之间的吸引力变得更强。

最后，常规半导体中，激子寿命相对较短（纳秒量级），难以开展激子物理的实验研究。而二硒化钨间接带隙大，形成的间接激子寿命更长。

▲拓扑激子绝缘相的计算

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为量子器件研发

推开一扇门

科研团队通过第一性原理计算和求解Bethe-Salpeter方程发现：单层二硒化钨是人们一直寻找的拓扑激子绝缘体的候选材料。

值得注意的是，其激子能带最低点偏离了常规的零动量位置，而在有限动量处形成了能量“洼地”。

也就是说，这些激子被称为“暗激子”，几乎不发光，且能量更低、更稳定，这也是形成拓扑激子绝缘相的关键。

科研团队通过计算进一步发现，即使对材料施加3%的面内应变，其拓扑性质依然稳定，这为柔性电子器件开发提供了可能。

通过求解方程，科研团队进一步发现：当大量激子凝聚时，会自发形成条纹图案的密度波，仿佛在材料表面织出一张“量子条纹地毯”——这种神奇的拓扑激子密度波效应此前仅在少数材料体系中观察到。

并且，当激子在材料中“集体起舞”时，它们的密度会呈现周期性条纹。这种图案源于两个动量相反的激子分支（位于动量空间的±Λ点）的量子干涉效应。通过调控这种集体运动模式，科学家有望设计出低能耗的量子传输器件。

▲非零速度的条纹相的拓扑激子密度波

该研究不仅首次在单层二硒化钨中实现了拓扑激子绝缘体，更揭示了激子关联与拓扑物理的深层联系。这一工作为探索激子绝缘体及其他激子相关物性在二维材料中的应用推开了一扇门。

未来，随着实验技术的进步，这类“量子条纹地毯”将从理论走进现实，推动发现更多性能优越的激子绝缘体。

来源：中国科学院半导体研究所

责任编辑：曹旸