量子物态新发现：中科院半导体所突破

中国科学院半导体所与浙江大学合作，在单层1T'-WSe2中首次发现一种新奇的量子物态——拓扑激子密度波，相关成果发表在《物理评论快报》。该研究利用第一性原理计算和Bethe-Salpeter方程，揭示了拓扑激子绝缘相的存在，并发现其激子能带最小值偏移，形成类Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov态，进而产生条纹状激子密度波。这项发现基于激子——由电子-空穴对组成的准粒子，为激子关联效应、非平凡拓扑特性及二维材料中的激子超流研究开辟了新方向，具有重要的科学意义和应用前景。

激子，一种由库仑相互作用束缚的电子-空穴对组成的准粒子，广泛存在于绝缘体和半导体材料中。激子绝缘相，这一概念由诺贝尔奖得主Mott教授在上世纪六十年代提出，其出现条件是激子结合能(Eb)大于本征半导体的带隙(Eg)。 此后，多个实验团队在半导体材料中观察到带隙异常打开现象，为激子绝缘相的存在提供了佐证。2017年，北京大学、中国科学院半导体研究所等单位的研究证实了InAs/GaSb量子阱中拓扑激子绝缘相的存在，其显著特征为带隙打开和光谱中的双峰结构。然而，由于Eb > Eg的限制，激子绝缘相通常仅存在于窄带隙半导体或半金属中。

图1. 拓扑激子绝缘相的计算结果及类似超导的Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov态

二维材料中显著的激子效应和极高的激子结合能为激子绝缘体研究带来了新的契机。单层WSe2，凭借其位于Γ点处的平坦价带和较大的间接能隙，展现出独特的激子特性。间接能隙导致动量间接激子的形成，其寿命比直接激子更长，并可能表现出激子玻色-爱因斯坦凝聚(BECs)和激子超流现象。1T'-WSe2单层材料的间接能隙和Γ点附近的平带特性，使其成为研究激子BEC及相关多体效应的理想平台。

近期，中国科学院半导体研究所与浙江大学的合作研究团队，通过理论计算在1T'-WSe2单层中发现了拓扑激子绝缘相。研究人员利用第一性原理计算结合Bethe-Salpeter方程(BSE)，揭示了拓扑激子绝缘相的存在，并发现激子能带最小值向有限动量处偏移，形成类Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov态，进而导致激子密度波的产生。通过求解Gross-Pitaevskii方程，研究进一步证实了在BEC区域，由于X2激子两个分支的干涉，出现了具有条纹状的激子密度波。这项发现为激子关联效应、非平凡拓扑特性，以及二维材料中的激子超流研究开辟了新的方向。

图2. 具有非零速度的条纹相拓扑激子密度波

研究成果已发表在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters) [Phys. Rev. Lett. 134, 066602 (2025)]。中国科学院半导体研究所董珊博士和台州学院陈颖达博士为共同第一作者，娄文凯研究员和常凯院士为共同通讯作者，北京理工大学曲宏伟博士亦参与了该项研究。 该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院先导B项目、合肥国家实验室量子科学技术创新计划以及中国博士后科学基金站前特别资助等项目的支持。

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