中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心朱學(xué)濤研究員、郭建東研究員團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)許祝安教授團(tuán)隊(duì)、中國人民大學(xué)雷和暢教授團(tuán)隊(duì)合作,利用自主研制的高分辨率電子能量損失譜儀,首次在單一材料中直接觀察到激子色散關(guān)系隨維度變化的清晰演化,證實(shí)了理論中關(guān)于二維無質(zhì)量激子存在的重要預(yù)言。這一發(fā)現(xiàn)為未來設(shè)計(jì)更高效的光電器件提供了全新思路。激子是由光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì),其運(yùn)動(dòng)方式直接決定太陽能電池、LED等器件的光電轉(zhuǎn)換效率。理論預(yù)測,激子的色散行為(即能量與動(dòng)量的關(guān)系)會(huì)隨材料維度發(fā)生根本性改變【圖(a)(b)】:在三維材料中,激子呈現(xiàn)“U”字型拋物線色散;而在二維極限下,由于屏蔽效應(yīng)被限制在平面內(nèi),激子應(yīng)在布里淵區(qū)中心附近表現(xiàn)出奇特的“V”字型無質(zhì)量線性色散——這意味著它們可以像光一樣快速傳播。然而,受限于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的能量和動(dòng)量分辨率,這種二維無質(zhì)量激子一直未能被直接證實(shí),在同一材料中觀察維度演化更是難上加難。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心SF06組的朱學(xué)濤研究員和郭建東研究員團(tuán)隊(duì),長期致力于利用自主研發(fā)的具有能量-動(dòng)量二維成像解析能力的高分辨率電子能量損失譜儀(2D-HREELS)探索低維體系中的元激發(fā)行為。該設(shè)備能夠克服傳統(tǒng)光學(xué)手段的動(dòng)量限制,在布里淵區(qū)中實(shí)現(xiàn)對(duì)激子、等離激元、聲子等典型元激發(fā)的高分辨動(dòng)量解析 。
最近,研究團(tuán)隊(duì)在單帶莫特絕緣體Nb?Cl?和Nb?Cl?Br?體系中取得了突破性進(jìn)展。高能量和動(dòng)量分辨率的數(shù)據(jù)揭示了維度對(duì)激子行為的強(qiáng)烈調(diào)制:在室溫的高溫相(α相)中,層間耦合極弱,激子被強(qiáng)烈局限在單層中,表現(xiàn)出極其清晰的“V”字形準(zhǔn)二維無質(zhì)量線性色散【圖(c)】。而在低溫的β相中,層間滑移導(dǎo)致層間耦合顯著增強(qiáng),激子發(fā)生劈裂并演化為具有三維特征的常規(guī)“U”字型拋物線色散【圖(d)】。這項(xiàng)研究借助單一材料體系中層間耦合強(qiáng)度隨結(jié)構(gòu)相變的突變,直觀展示了激子色散隨系統(tǒng)維度的演化,首次在實(shí)驗(yàn)上直接證明了二維無質(zhì)量激子的存在。
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(a), (b) 二維和三維半導(dǎo)體中的激子色散;(c), (d) 高溫相( α相)和低溫相(β 相)下的激子色散。
這項(xiàng)工作以“Dimensionality-Dependent Exciton Dispersion in a Single-Band Mott Insulator”為題發(fā)表于Phys. Rev. Lett. 136, 106502 (2026),并被選為編輯推薦(Editors’ Suggestions)。本研究中,浙江大學(xué)許祝安教授和博士生米軍建提供了Nb?Cl?樣品支持,中國人民大學(xué)雷和暢教授和博士生閆少華提供了Nb?Cl?Br?樣品支持。物理所蘇智斌博士為該論文第一作者,朱學(xué)濤研究員、郭建東研究員、浙江大學(xué)許祝安教授和中國人民大學(xué)雷和暢教授為共同通訊作者。該工作得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,國家自然科學(xué)基金,中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)(B)計(jì)劃的資助。
編輯:LYang
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