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。
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(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
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