Nature Nanotechnology | 付英双团队发现激子绝缘体中杂质诱导配对破缺的光谱指纹

2026年7月6日，华中科技大学付英双教授、刘超飞副教授和南京大学王锐教授合作完成的研究论文发表在《Nature Nanotechnology》上，论文标题为“Spectral visualization of excitonic pair breaking at individual impurities in Ta₂Pd₃Te₅”。激子绝缘体中电子和空穴配对后凝聚成宏观量子态的理论已经有几十年的历史了，可是这种宏观凝聚在局域扰动下怎样失去稳定性、怎样变成没有配对的单个载流子，实验上一直没能直接看到过。这项研究用低温扫描隧道显微镜和隧道谱技术，在准一维激子绝缘体材料Ta₂Pd₃Te₅中测量了单个碲空位缺陷附近的电子态，在原子尺度上直接看到了激子配对破缺留下的光谱特征。

研究团队在材料的(100)解理面上得到了原子分辨的形貌图，这个材料属于正交晶系，表面沿b轴方向排列着五条碲原子链。没有缺陷的地方测到的隧道谱显示出一个大约85毫电子伏特的能隙，这个能隙是电子和空穴通过激子型杂化打开出来的。不同碲链上的谱线形状不太一样，这和每条链周围的化学环境不同有关系。研究团队还做了空间分辨的测量，发现垂直于碲链的方向上光谱会周期性变化，沿着碲链的方向就没有这种变化，这和材料准一维的结构特点是吻合的。

单个碲空位缺陷的隧道谱在激子能隙里面出现了一对峰。四种不同构型的碲空位（他们标记为VTe1到VTe4）产生的这对亚隙峰，两个峰之间的能量间距在统计上差异很明显，最可几值从VTe1开始依次减小到VTe2。能量间距的大小和缺陷构型有关，这说明缺陷和材料之间的耦合强弱是由缺陷的具体构型决定的。研究团队调节隧穿电流让针尖靠近样品，发现亚隙峰慢慢往能隙边缘的方向移动了，峰的宽度变宽了，两个峰的强度也变得不那么不对称了。没有缺陷的区域里面，激子能隙本身随着隧穿电流增大也略有增大，两种变化的趋势是一致的，这说明了亚隙杂质态和激子配对破缺之间确实有内在联系。

研究团队用了一个非磁性杂质模型来做理论计算，这个模型包含了轨道内散射和轨道间散射两种过程。轨道内散射势的符号决定了亚隙态里面电子分量和空穴分量强度的不对称性朝哪个方向偏，轨道间散射势的强度决定了亚隙态的能量位置。他们用了吸引势并且把轨道内分量设得比轨道间分量弱，算出来的亚隙态和实验看到的对得上。把散射势调小的时候，亚隙态向能隙边缘移动了，峰也变宽了，两个峰强度的不平衡也减弱了，这些变化趋势和实验完全一致。针尖靠近样品的时候会给缺陷加上一个排斥势，这个排斥势削弱了缺陷本身带有的有效吸引势，所以亚隙态才表现出上面那些变化。

空间分辨的测量结果显示，亚隙态的电子分量和空穴分量在空间上的衰减行为几乎是一样的，沿着b轴方向延伸大约2.5纳米，沿着c方向大约0.6纳米。两个方向延伸长度不一样，这是材料的准一维结构决定的。不管沿着哪个方向测量，电子分量和空穴分量的空间分布曲线都重合在一起，说明这两个分量是绑在一起的、不是各自独立的。相距1.3纳米的两个缺陷放在一起看的时候，亚隙态出现了分裂，空间分布图样像是两个轨道杂化之后形成的成键态和反键态，这说明不同缺陷上的配对破缺态之间能够通过电子波函数发生耦合。

研究团队还注意到，材料表面有些区域电子和空穴的数量不平衡程度不一样。不平衡比较弱的区域（他们叫I类区域）里面，缺陷倾向于给出靠近能隙边缘的高能亚隙态；不平衡比较强的区域（II类区域）里面，缺陷给出的是更靠近费米能级的低能亚隙态。他们在四个样品里面统计了四十多个不同的区域，一共找到1201个I类缺陷和810个II类缺陷，占比分别是59.7%和40.3%。形貌比较暗的区域和它的周围容易出现高能亚隙态，形貌比较亮的区域容易出现低能亚隙态。隧穿电流加到25纳安以上的时候低能亚隙态会被触发出来并且变强，升温的时候低能亚隙态比高能亚隙态消失得更快。这些差别说明低能亚隙态代表的是另外一种配对破缺过程。实空间里的自洽平均场计算表明，低能亚隙态是缺陷附近激子配对强度被局域压低造成的，高能亚隙态对应的是远离缺陷的地方激子配对没有受到扰动，两种态同时存在说明隧穿电子可以通过两条不同的路径进入样品。

这项研究在原子尺度上给出了激子配对破缺的直接光谱证据，为理解激子凝聚体在微观层面上怎样建立和怎样被破坏提供了关键的实验信息。他们发展出来的这套用杂质散射来探测激子配对的方法可以用到别的激子绝缘体候选材料上去。碲空位缺陷能够局域地调控激子配对这个特性，也为将来做原子尺度的激子光电器件（比如单光子发射器和原子尺度的存储器）提供了可能的方向。

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