Science: 玻色子也有春天

关联效应是凝聚态物理的研究核心之一。对关联效应的深入理解有助于解开高温超导的谜题。近年来，转角二维材料体系由于其高度可调控性，成为探究关联现象的重要平台之一。基于转角石墨烯或转角过渡金属硫化物（TMD），众多关联量子效应被相继发现，包括关联绝缘体，非常规超导电性，陈绝缘体，条纹相等等。

这些工作大都集中在对电子，即费米子的研究上。而作为另一种基本粒子的玻色子，其关联效应却鲜有问津。这并不是因为玻色子的关联效应不如电子有趣：超流-莫特绝缘体相变、超固体等现象在冷原子领域大放异彩，而主要源于凝聚态体系中对玻色子相互作用的操控和测量远不及对电子的掌控。

那么玻色子在转角二维材料这个大舞台上，是否还有机会呢？答案是肯定的。早在2019年，科学家们就在转角TMD中研究了莫尔激子（电子-空穴对，一种复合玻色子）的单粒子行为。例如，实验者们在WSe2/WS2转角异质结中发现层内激子的吸收峰会受到莫尔势的强烈调控而劈裂成三个莫尔激子峰。而也正是这同一个莫尔势，赋予了电子丰富的关联相图。这暗示着如果能将莫尔激子调节到一定浓度，也可能实现类似电子的关联绝缘体等关联效应。在这样的玻色子关联绝缘态，每一个莫尔超晶格的位点上有且只有一个莫尔激子，且由于莫尔激子之间的强排斥作用，莫尔激子无法自由移动而局域在位点上，从而形成绝缘态（图一）。进入绝缘体态后，如果再想向体系注入一个莫尔激子，就必须需要付出额外的能量。这是因为所有的位点已经被占满，系统不得不让两个互相排斥的激子“挤”在同一个位点上。

图一：由层间激子组成的关联绝缘体

研究方法

然而，激子的特殊性给对它的研究带来了一定的困难。首先，激子作为一个激发态，具有有限的寿命，实验上难以实现较高的浓度；其次，激子作为玻色子，没有电子一样的费米面，普通的光学探测方法将伴随着所有激子带来的巨大“背景”信号。

为了解决这些问题，加州大学圣芭芭拉分校的研究者们选择了WSe2/WS2 转角体系中的层间激子作为研究对象，其具有较长的激子寿命，从而有利于特定浓度的实现；其次，研究者们研发了一种新颖的泵浦探测技术（图二），通过测量激子的光致发光（PL），首次实现并证明了激子的关联绝缘体态。

具体来说，在泵浦探测中，大面积且均匀的泵浦光向系统注入并维持特定的激子浓度；而聚焦的探测光向系统注入少量额外的激子。通过交流调制探测光，研究者们可以隔离出只来自于探测光的激子的PL信号。由此，实验上可以直接测量系统在相应激子浓度下对少量注入激子的响应。如果系统进入了关联绝缘体态，那么注入的少量激子的PL响应将发生能量的跃变。这一能量的升高由激子在同一个位点时的相互排斥直接决定。

图二：泵浦-探测技术

研究结果

图三显示了实验的主要结果。其中颜色代表了泵浦探测中隔离出的探测光导致的PL强度，横轴是PL的光子能量，纵轴是泵浦光的强度。随着强度的增加，激子的浓度逐渐增加。值得注意的是，当激子浓度达到一个阈值时，PL的光子能量突然发生了跃变。独立的时间分辨PL测量表明，此时的激子浓度符合莫尔浓度，即每个莫尔位点上恰好有一个激子。通过泵浦探测PL谱，研究者们直接揭示了莫尔激子间的强相互排斥作用；而能量的跃变标志着玻色子关联绝缘体的形成。

图三：泵浦-探测PL谱。绿色箭头处的PL能量跃变标志着玻色子关联绝缘体态的形成

除此之外，研究者们还通过栅压的方式，向样品中逐渐注入电子。令人惊讶的是，PL能量跃变的现象持续存在，并越来越趋向于更低的激子浓度，直至电子填满所有位点，形成电子的关联绝缘体（图四）。这表明，电子的注入没有破坏激子的绝缘体态，反而和激子协同作用，形成了玻色子-费米子混合绝缘体态。激子的关联绝缘体在电子的注入下，连续地转变为电子的关联绝缘体态。

图四：泵浦-探测PL谱随电子浓度的变化。PL能量跃变的持续存在标志着混合关联绝缘体态的形成

展望

转角TMD体系中的强“光-物质”相互作用和高度可调控性，彰显了其在研究关联效应的巨大潜力。激子的关联绝缘体和混合绝缘体的发现，为日后研究新奇玻色子关联相做了重要铺垫，例如超流-莫特相变，超固体，玻色子的陈绝缘体等等。论文发展的泵浦-探测技术，还可进一步应用于谷电子学或超快动力学的研究中。在电子相图异彩纷呈的转角二维材料体系，相信玻色子也会有它的春天。

该论文于5月26日正式发表在Science上，题目为“Correlated insulator of excitons in WSe2/WS2 moiré superlattices”。论文通讯作者是美国加州大学圣芭芭拉分校Chenhao Jin博士，第一作者是博士生Richen Xiong（熊日晨）。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add5574

转自：“知社学术圈”微信公众号

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