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加州理工學院發現穩定哈伯德激子，這項發現可能會帶來全新材料技術 .

文章來源：賢集網更新時間：2023-10-13 16:36:56

在藝術中，繪畫中的負空間與繪畫本身一樣重要，絕緣材料中也存在類似的情況，其中缺失電子留下的空白空間在決定材料的性能方面發揮著至關重要的作用。當帶負電的電子被光激發時，它會留下一個帶正電的空穴。由于空穴和電子帶相反電荷，它們相互吸引并形成鍵。由此產生的一對是短暫的，被稱為激子[exciton，發音為 exit-tawn]。

近日，加州理工學院的David Hsieh博士領導的一組科學家在光摻雜的反鐵磁莫特絕緣體中觀察到穩定的哈伯德激子的證據。他們的研究結果發表在Nature Physics上。這一發現不僅為量子物理領域帶來新的突破，還可能重塑我們對量子現象的理解。

什么是激子？

激子通常存在于半導體材料中，是當電子和空穴（沒有電子）通過靜電力相互作用時出現的復合粒子（或準粒子）。激子，類似于氫原子中的質子和電子，短暫存在并已得到充分研究。然而，當我們進入莫特絕緣體領域時，它們的行為會發生變化，莫特絕緣體是違反普通半導體中電子行為的傳統規則的材料。

長期以來，人們一直認為哈伯德激子是一種新型準粒子，可能會出現在莫特絕緣體中。但是它們是否真的可以作為穩定的準粒子存在于真實材料中仍然是一個懸而未決的問題。現在，科學家們有實驗數據表明答案是肯定的。

技術中的激子

激子是許多技術不可或缺的一部分，例如太陽能電池板、光電探測器和傳感器。它們也是電視和數字顯示屏中發光二極管的關鍵部分。在大多數情況下，激子對受到電力或靜電力的束縛，也稱為庫侖相互作用。

現在，在《自然物理學》上發表的一項新研究中，加州理工學院的研究人員報告稱，檢測到的激子不是通過庫侖力束縛的，而是通過磁性束縛的。這是第一個檢測這些所謂的哈伯德激子（以已故物理學家約翰哈伯德命名）如何實時形成的實驗。

在稱為反鐵磁莫特絕緣體的材料中，電子（球體）以原子晶格結構組織，使其自旋以交替模式向上（藍色）或向下（粉色）。這是能量最小化的穩定狀態。當材料受到光照射時，電子將跳躍到鄰近的原子位點，在它曾經駐留的地方留下一個帶正電的空穴（暗球）。如果電子和空穴彼此距離更遠，它們之間的自旋排列就會受到干擾——自旋不再指向與其鄰居相反的方向，如第二個面板所示——這會消耗能量。為了避免這種能量損失，電子和空穴傾向于保持彼此靠近。這是哈伯德激子背后的磁性結合機制。

“使用先進的光譜探針，我們能夠實時觀察磁束縛激子（哈伯德激子）的產生和衰變，”該研究的主要作者 Omar Mehio（奧馬爾·梅希奧博士 '23）說，他是加州理工學院最近的研究生，曾在與加州理工學院物理學教授 David Hsieh 合作。梅希奧現在是康奈爾大學卡維利研究所的博士后研究員。

“在大多數絕緣體中，帶相反電荷的電子和空穴相互作用，就像電子和質子結合形成氫原子一樣，”Mehio 解釋道。 “然而，在一種稱為莫特絕緣體的特殊材料中，光激發電子和空穴通過磁相互作用結合。”

潛在的應用和實驗

研究結果可用于開發新的激子相關技術或激子學，其中激子將通過其磁性進行操縱。

Mehio 表示：“哈伯德激子及其磁性結合機制與傳統激子學范式截然不同，為開發傳統激子系統根本無法實現的整個新技術生態系統創造了機會。在單一材料中使激子和磁性緊密交織可能會帶來利用這兩種特性的新技術。”

為了產生哈伯德激子，研究人員將光照射到一種稱為反鐵磁莫特絕緣體的絕緣材料上。這些是磁性材料，其中電子自旋以重復、穩定的模式排列。光激發電子，電子跳躍到其他原子，留下空穴。

“在這些材料中，當電子或空穴穿過晶格時，它們會留下一串磁激發，”Mehio說。 “想象一下，你將一根彈力繩的一端綁在你的朋友身上，另一端綁在你自己身上。如果你的朋友逃離你，你會感覺到繩子把你拉向那個方向，你就會開始跟隨。這種情況類似于光激發電子和它在莫特絕緣體中留下的空穴之間發生的情況。對于哈伯德激子，激子對之間的磁激發串起到了與連接你和朋友的繩索相同的作用。”

為了證明哈伯德激子的存在，研究人員使用了一種稱為超快時域太赫茲光譜的方法，該方法使他們能夠在非常低的能量尺度上尋找激子的非常短暫的特征。

“激子不穩定，因為電子想要回到空穴中，”謝解釋道。 “我們有一種方法可以探測這種重組發生之前的短時間窗口，這使我們能夠看到哈伯德激子流體是瞬時穩定的。”

可能會帶來全新材料技術

哈伯德激子的研究發現不僅僅是量子科研展示，而且對技術進步有著深遠的影響。最重要的前景之一在于太陽能領域。激子獨特的磁結合可以為提高太陽能電池效率鋪平道路，推動太陽能成為全球能源領域的強大競爭者。此外，在高速光通信系統中利用這種現象的潛力可能會改變游戲規則，實現更快、更可靠的光開關和調制器，滿足數字時代日益增長的需求。

除此之外，該研究的前景充滿了其他可能性。從新穎的光子設備和自旋電子到高靈敏度傳感器，哈伯德激子的舞蹈打開了通往大量技術創新的大門。它還為材料科學的進一步探索提供了肥沃的土壤，推動了我們對多體物理學和相關電子材料的理解。

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