什么是激子？

激子是电子和空穴通过库仑作用形成的，按理讲是不带电的。具体解释激子，可以采取这样的唯象模型来解释：一个带正电的粒子和一个带负电的粒子相互吸引，而形成束缚态粒子——激子。注意，这里的“带正电粒子”应理解为准粒子。而该准粒子，便是空穴。参看叶良修先生的半导体物理下册第十三章。

在物理学中，有非常不同类型的粒子：基本粒子是物质的基本组成部分。其他粒子，如原子，是由几个较小的组分组成的束缚态。还有所谓的“准粒子”，在一个由许多粒子组成的系统中，激发作用在很多方面就像粒子本身一样。

这种准粒子现在已经在维也纳的TU Wien的计算机模拟中被发现，并被命名为pi-ton。它由两个电子和两个空穴组成。新粒子发表在杂志上。物理评论信这篇文章还描述了如何从实验上检测到π-吨。

一个洞几乎是一个粒子

“最简单的准粒子是一个洞，”TUWien固体物理研究所的Karsten教授解释道。例如，让我们想象一下，在一个晶体中，许多原子排列成一个规则的模式，每个原子上都有一个移动的电子。只有在一个特定的原子上，电子是缺失的--这就是一个洞。现在电子可以从邻近的原子上移动。原来的洞被关闭了，一个新的洞打开了。

与其描述不断移动的电子的运动，不如更容易研究空穴的运动。如果电子向右移动，空穴向左移动--这个运动遵循一定的物理规律，就像普通粒子的运动一样。然而，与电子不同，电子在晶体之外也可以观察到，空穴只与其他粒子一起存在。在这种情况下，我们说的是“准粒子”。

“然而，粒子和准粒子之间的分界线并不像人们想象的那样清晰，”卡斯滕说。严格地说，即使是普通的粒子也只能在它们的环境中被理解。即使在真空中，粒子空穴激发也会不断发生，尽管时间很短。例如，没有它们，电子的质量就会完全不同。从这个意义上说，即使在与普通电子的实验中，我们看到的实际上也是一个准粒子电子。

更复杂的债券

但也有更复杂的准粒子：例如激子，它在半导体物理学中扮演着重要的角色。它是由电子和空穴组成的束缚态，由光产生。电子带负电，空穴没有负电荷，因此带正电荷。两者相互吸引，并能形成一种纽带。

“我们实际上想调查这种激子，”论文的第一作者安娜·考赫博士和佩特拉·普莱纳博士报告说。“我们开发了计算机模拟来计算固体中的量子物理效应。”但是很快，安娜·考赫，佩特拉·普德莱纳和他们的同事凯瑟琳·阿斯特莱斯纳意识到，他们在计算中遇到了完全不同的东西--一种全新的准粒子。它由两个电子和两个洞组成，它们通过光子耦合到外部世界。

研究小组给这个以前未知的物体取了个名字--π-ton。“安娜·考赫解释说：“π-ton这个名字来自这样一个事实：两个电子和两个空穴是由电荷密度涨落或自旋涨落联系在一起的，这些涨落总是将它们的特性从晶体的一个点阵点逆转到另一个点阵点--即以弧度计算的π角。”佩特拉·普莱纳(Petra Pudleiner)说：“这种从正到负的不断变化，或许可以想象成棋盘上从黑色到白色的变化。”π-吨是通过吸收光子自发产生的。当光子消失时，光子再次被发射出来。

从电脑里出来的粒子

到目前为止，π-ton已经被发现并通过计算机模拟得到验证.对于研究团队来说，π-ton的存在是毫无疑问的：“我们现在已经用各种模型研究了π-ton现象--它一次又一次地出现。因此，它肯定可以在各种不同的材料中被检测到。”Karsten Holding确信。“用钛酸钐获得的一些实验数据似乎已经指向了π-吨。用光子和中子进行的额外实验很快就会提供清晰的信息。”

尽管我们不断地被无数的准粒子包围--新的准粒子物种的发现是非常特别的。除了激子，现在还有π-吨.无论如何，这有助于更好地理解光和固体之间的耦合，这一课题不仅在基础研究中发挥着重要作用，而且在许多技术应用中--从半导体技术到光电伏学--都发挥着重要作用。

普林斯顿大学的研究人员最近开展的一项研究表明，单层二碲化钨（WTe2）为一种激子绝缘体（excitonic insulators, EI）。二碲化钨是一种过渡金属硫化物（TMD），具有许多独特的性能和特点使其成为电子应用领域的理想材料。过去的研究已经表明，单层的二维二碲化钨晶体形成了第一个单层拓扑绝缘体，表现出的拓扑特性可以持续到非常高的温度（~100K）。

过去，物理学家已经能相当好地理解该材料的拓扑结构的起源，但是，二碲化钨单层材料表现为绝缘体的原因仍然不清楚。理论预测和计算表明，该材料原则上应该是一种半金属，其中电子和空穴共存并自由移动。

普林斯顿大学的研究人员最近进行了一项研究，调查单层二碲化钨的电子特性。他们发表在《自然-物理学》上的论文提供了强有力的证据，证明这种材料是一种EI，在被称为“激子”的电子-空穴结合状态的自发形成。

激子绝缘体产生于半导体中绑定的电子-空穴对（激子），为量子多玻色子物理学提供了一个固态平台。

“我们工作的最初目的是了解非常新颖的二维材料单层WTe2的量子特性，”进行这项研究的研究人员之一Sanfeng Wu告诉Phys.org。“我们的研究进行了系统的研究，以解决这一难题，并发现强有力的证据表明这种二维绝缘体是一种EI。”

“激子是带电的中性粒子，像氢原子一样，”Wu解释说。“激子的概念在半导体物理学中并不新鲜，例如，激子在半导体的光激发和发射中起着关键作用。然而，半导体中的光激发激子是非常短暂的，因为它们必须在纳秒内衰变，例如通过发射光。相反，在EI中，激子不会发光，也不会衰变。”

在他们的实验中，研究人员排除了单层二碲化钨是一个带状绝缘体的可能性。为了做到这一点，他们使用电子隧道光谱检查了二维二碲化钨晶体。

“我们得出结论，单层绝缘状态的形成是由于内在的电子关联，”Wu说。“结合这一事实，即该状态正好出现在电荷中和，意味着电子和空穴的数量正好相等，很明显，单层绝缘体是一种激子绝缘体。”

Wu和他的同事们还发现，他们检查的单层WTe2样品表现出不寻常的传输行为，与那些在EI中预期的行为一致。随后，他们开发了一个理论模型，考虑了电子-空穴的相关性，进一步支持了EI相的形成。

这个研究小组最近进行的研究表明，单层二碲化钨是一个有前景的二维EI候选材料。在未来，它可以为进一步研究单层二碲化钨或其他具有类似结构的材料提供参考，以 探索 发现更多激子绝缘材料的可能性。

“我们的研究确定了单层WTe2是一个独特的激子绝缘体，未来不仅可以研究激子绝缘态，还可以研究其他可能的新量子相，如激子超导，特别是单层二碲化钨可以从激子绝缘态被静电调谐到超导体态，”研究生和论文的主要作者Yanyu Jia告诉Phys.org。“揭示这两个阶段之间的基本关系将是非常有用，并且肯定会加深我们对材料中量子现象的理解。”

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