北京
这为研究高温玻色-爱因斯坦凝聚体建立了一个全新的固态平台，也为量子信息科学与器件开辟了新途径。
美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员在原子级厚度的半导体中观测到了可调谐的激子玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）。与科学家们普遍认为玻色-爱因斯坦凝聚体中的粒子会失去个体特性的假设相反，研究人员发现该凝聚体具有内部结构，且这种结构可以通过磁场进行调节。
玻色-爱因斯坦凝聚体是一种相干量子态，众多粒子聚集在一起，表现得像一个单一的相干整体。科学家也将它称为物质的第五态，因为粒子会失去个体身份，集体如同一体。六十多年来，科学家们一直努力利用激子或电子-空穴对来产生玻色-爱因斯坦凝聚体。
这在半导体器件中尤其困难，因为通过光产生的激子寿命极短，仅能存在不足十亿分之一秒。
“虽然之前的研究已经表明电子和空穴可以结合成激子，但要判断这些激子是否形成了凝聚体，或者弄清凝聚体具有何种内部量子秩序，并没有简便的方法，”伯克利实验室材料科学部的资深科学家王峰解释说，“我们的工作提供了一种直接观测这一隐藏结构的途径。”
基态激子
激子是由一个受激电子和一个带正电的空穴束缚在一起形成的准粒子。在大多数实验中，激子由光产生，并处于其短寿命的激发态。在他们的研究中，王峰及其团队设计了一种二维半导体器件，使激子能够处于基态。
该器件由两层原子级厚度的半导体材料构成，即二硒化钼（MoSe₂）和二硒化钨（WSe₂）。在这个结构中，顶层的二硒化钼容纳电子，底层的二硒化钨容纳电子空穴。中间有一层仅几个原子厚度的六方氮化硼（hBN）将两层隔开，同时又允许它们之间产生强吸引力，从而形成激子。
在低温条件下，研究人员利用磁光光谱技术将器件冷却到接近绝对零度的温度，并测量了电子和空穴组分对微小磁场的响应。
正如理论预测的那样，激子整体表现出集体行为。不仅如此，研究人员在高达2开尔文的温度下仍观察到了凝聚体特征。虽然这些温度已经极低，但仍比超冷原子气体中演示的玻色-爱因斯坦凝聚体高出数百万倍。
平衡量子流体
在原子级厚度的半导体中，电子和空穴不仅是电荷和自旋的载体，同时还携带一种称为“谷”的量子属性。这与它们在晶体材料内部的运动或自由度相关，并赋予激子多种不同的“味”或自旋模式。
在他们的工作中，王峰及其同事发现，玻色-爱因斯坦凝聚体并非只有一种“味”的量子态，而是包含两个组分，各自具有不同风味的内部自旋-谷结构。由此产生了多种截然不同的凝聚相，且可以通过磁场在这些相之间进行切换。
在这种装置中，激子不再是短寿命的粒子，而是形成了一种能以电学和磁学方式调控的平衡量子流体。这是因为它不仅是一个凝聚体，而且还具有科学家可以控制的内部结构。
新闻稿称，这项研究为开发一个在固体材料中研究量子流体的新平台铺平了道路，将助力推动利用量子技术的下一代通信和计算，以及基于激子的器件等各领域的发展。
该研究成果发表在《自然》杂志上。
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