单带莫特绝缘体中维度依赖的激子色散 | 进展

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心朱学涛研究员、郭建东研究员团队与浙江大学许祝安教授团队、中国人民大学雷和畅教授团队合作，利用自主研制的高分辨率电子能量损失谱仪，首次在单一材料中直接观察到激子色散关系随维度变化的清晰演化，证实了理论中关于二维无质量激子存在的重要预言。这一发现为未来设计更高效的光电器件提供了全新思路。激子是由光激发产生的电子-空穴对，其运动方式直接决定太阳能电池、LED等器件的光电转换效率。理论预测，激子的色散行为（即能量与动量的关系）会随材料维度发生根本性改变【图（a）（b）】：在三维材料中，激子呈现“U”字型抛物线色散；而在二维极限下，由于屏蔽效应被限制在平面内，激子应在布里渊区中心附近表现出奇特的“V”字型无质量线性色散——这意味着它们可以像光一样快速传播。然而，受限于传统实验手段的能量和动量分辨率，这种二维无质量激子一直未能被直接证实，在同一材料中观察维度演化更是难上加难。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心SF06组的朱学涛研究员和郭建东研究员团队，长期致力于利用自主研发的具有能量-动量二维成像解析能力的高分辨率电子能量损失谱仪（2D-HREELS）探索低维体系中的元激发行为。该设备能够克服传统光学手段的动量限制，在布里渊区中实现对激子、等离激元、声子等典型元激发的高分辨动量解析 。

最近，研究团队在单带莫特绝缘体Nb₃Cl₈和Nb₃Cl₂Br₆体系中取得了突破性进展。高能量和动量分辨率的数据揭示了维度对激子行为的强烈调制：在室温的高温相（α相）中，层间耦合极弱，激子被强烈局限在单层中，表现出极其清晰的“V”字形准二维无质量线性色散【图（c）】。而在低温的β相中，层间滑移导致层间耦合显著增强，激子发生劈裂并演化为具有三维特征的常规“U”字型抛物线色散【图（d）】。这项研究借助单一材料体系中层间耦合强度随结构相变的突变，直观展示了激子色散随系统维度的演化，首次在实验上直接证明了二维无质量激子的存在。

(a), (b) 二维和三维半导体中的激子色散；(c), (d) 高温相（ α相）和低温相（β 相）下的激子色散。

这项工作以“Dimensionality-Dependent Exciton Dispersion in a Single-Band Mott Insulator”为题发表于Phys. Rev. Lett. 136, 106502 (2026)，并被选为编辑推荐（Editors’ Suggestions）。本研究中，浙江大学许祝安教授和博士生米军建提供了Nb₃Cl₈样品支持，中国人民大学雷和畅教授和博士生闫少华提供了Nb₃Cl₂Br₆样品支持。物理所苏智斌博士为该论文第一作者，朱学涛研究员、郭建东研究员、浙江大学许祝安教授和中国人民大学雷和畅教授为共同通讯作者。该工作得到了科技部国家重点研发计划，国家自然科学基金，中国科学院战略先导（B）计划的资助。

编辑：LYang