《科学》：“一夫一妻制“的量子配对突然分手令研究人员感到惊讶

在联合量子研究所的实验室里,物理学家们目睹了一场前所未有的量子离婚潮。原本被认为形影不离的电子和空穴对突然开始频繁更换伴侣,这个意外发现不仅颠覆了研究团队的预期,更可能为太阳能电池和量子器件开辟全新的技术路径。

2026年1月1日发表在《科学》杂志上的这项研究揭示,当材料中的电子密度达到极高水平时,所谓的激子会放弃通常的单配性行为,转而进入一种类似快速约会的状态。这种被命名为"非单配空穴扩散"的现象,让激子的移动速度提升了惊人的一千倍。

研究团队最初的反应是认为实验出了差错。他们花费一个月时间在不同样品、不同位置、不同功率下重复实验,甚至跨越大西洋在另一个实验室验证,结果完全一致。直到那时,他们才意识到发现了一种全新的量子行为模式。

从内向到外向的量子社交

要理解这个发现的意义,首先需要了解量子粒子的"社交习惯"。在量子世界里,粒子分为两大类,费米子像内向者,任何情况下都不愿意共享量子态,而玻色子像外向者,喜欢聚集到相同的量子态中。正是费米子的这种排他性,让固体物质得以形成稳定结构。

激子是一种特殊的量子准粒子,由一个带负电的电子和一个带正电的空穴组成。空穴并非真正的粒子,而是材料中某个原子缺少电子后留下的带正电空位,但它可以像粒子一样在材料中移动。当电子和空穴相遇并结合成类似原子的结构时,就形成了激子。

当电子与空穴配对时，就会形成激子——空穴是材料中原子缺少电子后留下的可移动的粒子状空隙。通常情况下，电子和空穴会以互斥配对的形式一起运动，形成激子。但一项新的实验探究了当材料中的特定条件破坏这种配对时会发生什么。图中，一个空穴（灰色球体）位于堆叠材料的底层，并与顶层（青色球体）中的一个电子配对。顶层中的所有电子（黑色球体）都不愿意与彼此或激子中的电子共享材料中的位置。图片来源：Mahmoud Jalali Mehrabad/JQI

传统理论认为,激子中的电子和空穴会像一夫一妻制的夫妻一样始终结伴而行。它们一起移动,表现得像单一的量子物体,并且通常需要外部能量才能将它们拆散。这种"一夫一妻制"的假设是激子物理学的基础之一。

联合量子研究所的团队原本打算研究如何通过调节材料中费米子与玻色子的比例来改变它们之间的相互作用。单个电子是费米子,而激子是玻色子,两者的组合提供了理想的实验平台。研究人员预期,大量费米子会彼此排斥,并阻碍玻色子远距离运动,就像在拥挤的餐厅里,所有桌子都被占据会妨碍客人移动一样。

意外的量子速配

实验采用了一种精心设计的双层材料,通过将一层薄材料精确堆叠在另一层上制成。这种结构类似于为情人节准备的餐厅,所有空间都挤满了小巧的餐桌,每个激子或孤电子都需要占据一张桌子,而内向的孤电子不愿意与任何其他电子或激子共享空间。

研究人员通过调节电压控制材料中自由移动的电子数量,并用特定颜色的激光产生激子。当激子最终消亡时,它会释放出光,研究人员收集这些光来追踪激子的最终位置,从而测量激子簇在材料中的扩散程度。

起初,随着电子数量的增加,激子的移动距离如预期般越来越短。它们不得不寻找蜿蜒的路径绕过电子,而不是像以前那样走直线。但当电子密度增加到几乎占满所有可用位置时,奇迹发生了,激子的扩散距离突然大幅跃升。

"没人愿意相信这个结果,"论文第一作者、JQI研究生普兰舒·乌帕迪亚伊回忆道。团队成员反复质疑,要求在不同条件下验证。博士后研究员丹尼尔·苏亚雷斯-福雷罗甚至在离开JQI前往日内瓦大学工作后,还在那里的实验室重复了这个实验。

研究团队与理论学家展开了长达数月的密集讨论,尝试各种模型来解释观察结果。转折点出现在他们意识到,在这种极端拥挤的环境中,激子在材料中的位置与自由电子和空穴不同。

答案最终浮出水面,当可用电子的数量变得足够多时,每个激子中的空穴开始将所有周围的电子视为等价的潜在伴侣。激子的一夫一妻制规则被打破了。空穴不再与同一个电子逐个位置地移动,而是像参加快速约会活动一样,迅速地从一个电子交换到下一个电子。

技术应用的新视野

图像上半部分展示了一种材料的层状结构，这种材料可以容纳自由移动的电子（黑色球体）和激子。激子由一个空穴（白色球体）和一个特定的电子（青色球体）组成。图像下半部分展示了该材料为电子和激子创造的量子态场。其中包含许多不同的位置，电子和激子都倾向于驻留于这些位置。激子可以移动到附近的空位，但不能移动到已被电子占据的位置。图片来源：Mahmoud Jalali Mehrabad/JQ

这种非单配扩散带来的实际影响令人兴奋。没有了通常围绕单个电子的迂回路径,每个空穴都能直奔目的地,在释放标志性的毁灭闪光之前行进更远的距离。而触发这种快速扩散模式所需的只是调节电压,这对于现有设备来说并非难事。

莫瓦尔超晶格材料,也就是这类堆叠二维材料,近年来成为凝聚态物理的研究热点。通过精确控制堆叠角度和层间距离,研究人员可以创造出周期性的势场景观,从而调控准粒子的输运性质。这项新研究表明,在特定的电子填充条件下,激子的扩散行为会发生质的飞跃。

苏亚雷斯-福雷罗指出,控制材料中粒子的迁移率对未来技术至关重要。某些太阳能电池板设计依赖激子的有效输运来提高能量转换效率,而这一发现提供了一种通过简单的电压调节就能显著增强激子迁移的方法。

研究人员已经开始利用这一新认识来解释其他实验现象,并努力将其应用于更好地控制量子材料中的相互作用。从基础物理学角度看,这项工作挑战了人们关于激子中电子和空穴始终以单配方式移动的普遍假设,特别是在高电子填充条件下。

在量子世界的餐厅里,当桌子太多被占据时,剩下的客人不再拘泥于固定伴侣,而是开始了一场华丽的量子交谊舞。这场舞蹈的节奏,或许正是未来光电器件的心跳。