科學(xué)家在拓?fù)浼ぷ咏^緣體相研究取得突破性進(jìn)展

上世紀(jì)60年代，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Mott 提出激子絕緣相， Mott 提出考慮庫(kù)侖屏蔽效應(yīng)，在半金屬體系中電子-空穴配對(duì)而形成激子，可能會(huì)導(dǎo)致體系失穩(wěn)，從而在半金屬費(fèi)米面處打開(kāi)能隙，形成激子絕緣體狀態(tài)。但迄今為止，實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)激子絕緣體相是一個(gè)尚未完全解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。激子絕緣體相存在及其玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的確鑿證據(jù)并不充分，主要是由于激子的壽命較短，帶來(lái)觀測(cè)上的困難。

InAs/GaSb 半導(dǎo)體量子阱系統(tǒng)是重要的紅外探測(cè)器體系，其能帶結(jié)構(gòu)獨(dú)特，本征情況下會(huì)自發(fā)形成空間分離的二維電子氣和空穴氣。由于其電子、空穴的空間分離，激子壽命變長(zhǎng)，為研究激子絕緣體提供了良好的平臺(tái)。在 InAs/GaSb 半導(dǎo)體量子阱中，通過(guò)調(diào)節(jié) InAs 和 GaSb 層厚，可使 GaSb 層的價(jià)帶頂高于 InAs 層的導(dǎo)帶底，體系中可以自發(fā)地形成局域于 InAs 層的電子氣和局域于 GaSb 層的空穴氣，兩者在實(shí)空間分離。美國(guó)斯坦福大學(xué)張首晟研究組的理論工作證明， InAs/GaSb 量子阱的基態(tài)是二維量子自旋霍爾絕緣體；美國(guó)萊斯大學(xué)/北京大學(xué)杜瑞瑞實(shí)驗(yàn)組在該系統(tǒng)中觀察到拓?fù)溥吘墤B(tài)的輸運(yùn)，并發(fā)現(xiàn)邊緣態(tài)輸運(yùn)即使在強(qiáng)磁場(chǎng)下仍能保持。

如果考慮電子-空穴間的庫(kù)侖作用，即當(dāng)激子束縛能大于體系的雜化能隙時(shí)，理論上猜想該體系基態(tài)形成如 Mott 預(yù)言的激子絕緣體相甚至拓?fù)浼ぷ咏^緣相。美國(guó)萊斯大學(xué)/北京大學(xué)杜瑞瑞實(shí)驗(yàn)組、美國(guó)萊斯大學(xué)大學(xué) Kono 實(shí)驗(yàn)組和中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所常凱理論組，從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面研究 InAs/GaSb 量子阱中的激子絕緣相。研究員常凱、副研究員婁文凱構(gòu)造了平行磁場(chǎng)下激子的多帶量子多體理論模型，研究激子絕緣相的基態(tài)及其獨(dú)特的色散，發(fā)現(xiàn)激子的基態(tài)是處于有限動(dòng)量處的暗激子。在低溫且低電子-空穴對(duì)密度情形下，體系打開(kāi)類似 BCS 超導(dǎo)體中的能隙。通過(guò)研究激子的色散關(guān)系，提出利用太赫茲透射譜來(lái)驗(yàn)證激子絕緣體的存在，指出太赫茲透射譜表現(xiàn)為兩個(gè)吸收峰，理論計(jì)算預(yù)言的吸收峰位與實(shí)驗(yàn)一致，為激子絕緣相光學(xué)觀測(cè)提供了理論依據(jù)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在 Nature Communications 上。

（a）InAs/GaSb量子阱能譜圖；（b）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（c）激子絕緣體色散關(guān)系；（d）激子絕緣體聯(lián)合態(tài)密度；（e）THz吸收譜；（f）-（h） THz吸收譜：固定磁場(chǎng)不同溫度（f），固定溫度不同磁場(chǎng)（f，h）；（i）帶隙與溫度關(guān)系；（j）測(cè)量縱向電導(dǎo)與門電壓之間關(guān)系；（k）不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下InAs/GaSb能譜結(jié)構(gòu)。