《自然》重磅：首次证实双层激子超流体向绝缘体的量子相变

在现代凝聚态物理的宏伟版图中，寻找并调控全新的量子物态始终是核心课题。2026年初，发表于 《Nature》 的重磅论文 《Observation of a superfluid-to-insulator transition of bilayer excitons》 标志着该领域的一个里程碑。由哥伦比亚大学的 Cory Dean 教授、德克萨斯大学奥斯汀分校的 Jia Li 教授及其团队合作完成的这项研究，首次在二维半导体异质结中清晰地观测到了双层激子的量子相变。

一、 研究背景：激子的“两栖”属性

激子（Exciton） 是半导体中电子和空穴通过库仑吸引力结合而成的准粒子。由于电子和空穴都是费米子，它们结合而成的激子在整体上表现为玻色子。

物理学家长期以来一直预言，如果能将激子的寿命延长并冷却到极低温度，它们应当能像液氦一样发生玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），展现出无粘性的超流性。然而，普通材料中的激子极易湮灭（复合），寿命极短。为了攻克这一难题，研究团队采用了层间空间分离的设计：将电子限制在原子级薄的一层材料中，而空穴则位于另一层。这种“异地恋”式的排布极大延长了激子的寿命，为观察量子相变提供了时间窗口。

二、 实验架构：原子级“三明治”

该实验基于二维过渡金属硫族化合物构建的莫尔超晶格。其核心结构可以类比为一个精密的“量子三明治”：

• 双层WSe₂或MoSe₂：作为激子寄存的场所。
• 六方氮化硼（hBN）隔层：作为超薄的绝缘屏障，防止电子和空穴直接相撞湮灭，但允许它们产生强烈的电偶极矩相互作用。
• 石墨烯门电极：用于精确调节载流子浓度，实现从稀薄流体到稠密固体的连续跨越。

三、 核心发现：从“完美流动”到“绝对静止”

论文最引人注目的部分在于描述了系统如何在两种截然不同的量子状态之间进行相变：

1. 超流态的涌现 (The Superfluid Phase)

在特定密度下，层间激子形成了相干态。实验通过反向电流输运（Counter-flow transport）测量发现，系统的层间阻力几乎降为零。这意味着激子流体在没有能量损耗的情况下穿越了晶格。这不仅是超流性的直接证据，也是量子相干性在宏观尺度上的体现。

2. 绝缘态的转变 (The Insulator Phase)

随着激子密度的增加或层间耦合强度的调整，系统经历了一个剧烈的临界点。原本自由流动的超流体突然“冻结”成了绝缘体。

• 物理本质：这种绝缘态被认为是量子固体（Quantum Solid）或莫特绝缘体（Mott Insulator）的一种形式。由于激子之间强烈的偶极-偶极排斥力，它们在空间中被迫有序排列，形成了锁定的晶格结构。
• 相变特征：实验记录了电导率和压缩率在临界点附近的非连续跳变，清晰地定义了这一量子相变的边界。

四、 科学意义与未来影响

这篇论文之所以能登上《Nature》，其意义远超出了实验本身：

• 量子模拟的新平台：该系统成为了研究玻色子关联效应的理想“实验室”。相比于昂贵且复杂的超冷原子光晶格，这种固态芯片系统更易于集成和长时间观测。
• 超低功耗电子学：超流态意味着电子-空穴对的无损输运。如果能在更高温度下实现这一效应，未来的逻辑器件将几乎不产生热耗散。
• 多体物理的突破：实验中观察到的相变细节挑战并完善了现有的强关联电子理论，特别是在处理具有长程相互作用的玻色子系统时。

五、 结语

《Observation of a superfluid-to-insulator transition of bilayer excitons》不仅是一项精湛的实验艺术，更是人类对微观粒子调控能力的一次质变。它告诉我们，通过巧妙的设计，我们可以让微观粒子在固体芯片中跳起协同的量子华尔兹，也可以让它们瞬间凝固。