量子世界也有“三角恋”？电子拥挤引发激子关系惊变

仅靠调节电压，研究人员就打破了激子的“专一性”，在拥挤的量子系统中实现了快速扩散。

量子粒子会“移情别恋”吗？新实验表明，当环境变得拥挤时，某些粒子会放弃长期的专属配对。量子粒子的行为并非孤立存在，它们相互作用、形成联结，并遵循严格的社会规则。其中最根本的区分在于费米子与玻色子：费米子拒绝共享量子态，玻色子则乐于紧密共存。这两种对立特性构成了从固体物质到超导体的万物基础。

然而最新研究揭示，量子关系会以意想不到的方式瓦解。研究人员发现，在极端条件下，曾被认为严格“专一”的粒子会突然更换伴侣。这一发现颠覆了关于粒子在材料中运动方式的长期认知。

当量子规则失效时

电子时而紧密束缚于原子，将材料锁入绝缘状态；时而又自由穿梭形成电流。在特定条件下，电子甚至能两两结合形成库珀对，实现超导。另一种重要配对则发生在电子与空穴之间——当材料中的原子失去电子，就会留下可移动的正电荷空穴。电子与空穴结合形成激子，物理学家常将激子比作“专一伴侣”，因为拆散它们需要额外能量。

激子表现出玻色子特性，而单个电子仍是费米子。这种反差使其成为研究两类粒子相互作用的理想模型。JQI研究员穆罕默德·哈菲兹团队试图探究改变两者平衡如何影响材料内部运动。他们原以为增加费米子态电子会阻碍激子运动，实验结果却截然相反。

“我们最初以为实验出错了，”前JQI博士后研究员、现任马里兰大学巴尔的摩分校助理教授的丹尼尔·苏亚雷斯-福雷罗回忆道，“这是第一反应。”研究团队构建了精确排列的层状材料，其结构迫使电子与激子进入有序的晶格位点：电子拒绝共享位置，激子则可在位点间跃迁。

在低电子密度下，激子行为正常。随着电子增多，激子运动逐渐放缓，路径因绕开被占位点变得迂回。但当系统跨越临界点——几乎所有位点都被电子占据时，激子迁移率突然飙升，运动距离反而超过稀疏状态。

论文第一作者、JQI研究生普兰舒·乌帕德亚坦言：“没人愿意相信这个结果。大家反复要求重复实验。”团队随后耗时一个月，在不同样本区域以不同激发功率反复验证，甚至跨大陆重复实验，结果始终一致。

突破激子“专一性”

理论最终追上了实验脚步。研究团队意识到激子的存在方式与自由电子、空穴并不相同。“至少我们曾这样认为，”现就职于西班牙光子科学研究所的前JQI研究生黄宗圣（音）表示，“理论上外部费米子不应单独感知激子组分，但现实情况更为复杂。”

在极高电子密度下，激子内部的空穴开始将所有邻近电子视为等效对象，专属联结随之瓦解。空穴通过快速更换配对粒子实现穿行——研究团队将这种现象称为“非专一性空穴扩散”。这种高频伴侣切换使激子能径直穿越拥挤系统，无需迂回绕行，直至复合发光。

值得注意的是，研究人员仅通过调节电压就实现了该效应。这种可控性使其在电子光学器件领域极具应用潜力，包括基于激子的太阳能技术。

该研究已发表于《科学》期刊。

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