單帶莫特絕緣體中維度依賴的激子色散 | 進展

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心朱學濤研究員、郭建東研究員團隊與浙江大學許祝安教授團隊、中國人民大學雷和暢教授團隊合作，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系隨維度變化的清晰演化，證實了理論中關于二維無質量激子存在的重要預言。這一發現為未來設計更高效的光電器件提供了全新思路。激子是由光激發產生的電子-空穴對，其運動方式直接決定太陽能電池、LED等器件的光電轉換效率。理論預測，激子的色散行為（即能量與動量的關系）會隨材料維度發生根本性改變【圖（a）（b）】：在三維材料中，激子呈現“U”字型拋物線色散；而在二維極限下，由于屏蔽效應被限制在平面內，激子應在布里淵區中心附近表現出奇特的“V”字型無質量線性色散——這意味著它們可以像光一樣快速傳播。然而，受限于傳統實驗手段的能量和動量分辨率，這種二維無質量激子一直未能被直接證實，在同一材料中觀察維度演化更是難上加難。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心SF06組的朱學濤研究員和郭建東研究員團隊，長期致力于利用自主研發的具有能量-動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行為。該設備能夠克服傳統光學手段的動量限制，在布里淵區中實現對激子、等離激元、聲子等典型元激發的高分辨動量解析 。

最近，研究團隊在單帶莫特絕緣體Nb?Cl?和Nb?Cl?Br?體系中取得了突破性進展。高能量和動量分辨率的數據揭示了維度對激子行為的強烈調制：在室溫的高溫相（α相）中，層間耦合極弱，激子被強烈局限在單層中，表現出極其清晰的“V”字形準二維無質量線性色散【圖（c）】。而在低溫的β相中，層間滑移導致層間耦合顯著增強，激子發生劈裂并演化為具有三維特征的常規“U”字型拋物線色散【圖（d）】。這項研究借助單一材料體系中層間耦合強度隨結構相變的突變，直觀展示了激子色散隨系統維度的演化，首次在實驗上直接證明了二維無質量激子的存在。

(a), (b) 二維和三維半導體中的激子色散；(c), (d) 高溫相（ α相）和低溫相（β 相）下的激子色散。

這項工作以“Dimensionality-Dependent Exciton Dispersion in a Single-Band Mott Insulator”為題發表于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，朱學濤研究員、郭建東研究員、浙江大學許祝安教授和中國人民大學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研發計劃，國家自然科學基金，中國科學院戰略先導（B）計劃的資助。

編輯：LYang