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。

(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。

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