科学家首次直接观测并证实新颖激子量子现象，“冻结”状态长达70纳秒，或孕育革命性光电子技术

原创 DeepTech深科技 2025-07-13 15:54 北京

这一成果首次直接捕捉到了关联激子的动态过程，拓展了对二维材料中激子相的认识。

近日，南开大学教授邓时滨和合作者解决了当代凝聚态物理学中的一个关键问题——弄清了莫尔激子量子相的相干性和动力学行为。这一发现具有反直觉的意义，挑战了传统上“引力使粒子结合、斥力使粒子分散”的观念。审稿人评价称：“这一成果原创且重要，为层间激子物理和范德华异质结研究领域提供了全新视角。”总的来说，这一成果首次直接捕捉到了关联激子的动态过程，拓展了对二维材料中激子相的认识。

图 | 邓时滨（来源：邓时滨）

首次直接观测并证实一种新颖激子量子现象

邓时滨告诉 DeepTech，他和合作者首次直接观测并证实了一种新颖的激子量子现象——激子在形成莫特绝缘态前后的输运与“冻结”。简单来说，他们在 WS₂/WSe₂ 的莫尔超晶格中，发现当激子之间存在足够强的相互排斥力时，它们会陷入一种特殊的绝缘状态：每个莫尔晶格的格点上恰好禁锢着一个激子，且激子无法像平常那样在晶格间自由移动，整个激子系统就好比被“锁住”了一样。

物理学上把这种每格点单粒子占据、由于粒子间强相互作用导致的无法输运的状态称为“莫特绝缘体”。过去，人们已经在莫尔超晶格的电子系统中观察到莫特绝缘体，但本次工作在激子这一玻色粒子体系中首次用成像的方式观察到了类似的莫特绝缘态，并进一步揭示了其动态行为。

更令人惊喜的是，研究团队观测到在激子莫特绝缘态形成之后，其内部的激子运动近乎完全停止，保持“冻结”状态长达70 纳秒之久。这听起来转瞬即逝，但对微观粒子来说已经是相当长的时间尺度——这很可能已经足够进行很多次量子逻辑门操作了。这意味着在这段时间内，激子系统维持着高度有序和稳定的状态，没有出现显著的扩散或运动。

直观地看，这一现象相当反直觉：通常人们会认为粒子之间相互排斥会把彼此推开、加速扩散，而这里强烈的斥力反而让粒子原地不动，像被粘住了一样。打个比方，好比在交通拥堵时，本来车和车相互排斥不想挨在一起，但正因为车不能挨在一起（存在关联势能），谁也无法随意移动位置，结果所有车反而静止不动了。“斥力导致凝聚”的现象听上去矛盾，却正是研究团队在激子体系里发现的新规律。

为了验证这一反常现象确实源于激子之间的关联作用，研究团队还进行了对比实验：通过在样品中引入一定浓度的电子，来削弱激子之间的长程偶极斥力。结果发现，在这种相互作用减弱的情况下，激子的“冻结”现象消失了，激子扩散又变得相对正常起来。这进一步证明了：正是激子间的长程偶极相互作用使莫特绝缘相下的激子运动被抑制。

综上，本次研究发现的新现象可以概括为：莫尔超晶格中的激子因关联作用而出现非平衡态冻结。这一发现拓展了研究团队对激子物理的认知，并提供了崭新的实验证据表明：即在固态材料中也能实现类似于超冷原子体系的高度相干、强关联量子态。换句话说，研究团队证明了二维半导体异质结构中的激子系统可以像激光冷却的原子那样“整齐划一”地演化达几十纳秒之久。这不仅是激子研究领域的新知识，也为量子模拟和光电子器件研究打开了一扇新大门。

（来源：Nature Materials）

日前，相关论文以《莫瑞超晶格中激子莫特绝缘体的冻结非平衡动力学》（Frozen non-equilibrium dynamics of exciton Mott insulators in moiré superlattices）为题发在 Nature Materials[1]，邓时滨是第一作者，许晓栋、但丁·肯尼斯（Dante Kennes）、黄丽白担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

有望孕育革命性光电子技术

虽然本次研究主要聚焦于基础科学问题，短期内不会立刻转化为某种现成的产品，但其中蕴含的原理在未来具有相当大的应用想象空间。

首先，从电子技术的发展来看，利用不同粒子的特性往往会带来颠覆性创新。例如，本次工作展现出了精确控制激子集体状态的能力，这为开发“激子电子学（Excitonics）”器件提供了可能。所谓激子电子学，就是以激子而非电子作为信息载体进行计算或信号处理。激子是电中性的，与电子相比它产生的热量更低，而且它的生成和湮灭可以通过光来控制。如果有一天人们能在室温下稳定地制造和操纵激子莫特绝缘态或相关的激子相变，就有望构建全新的低功耗光电器件，比如构建基于激子的存储单元或开关。

其次，本次成果所使用的研究平台也是一种量子模拟器的雏形。在量子计算和模拟领域，人们一直希望找到在实验室中模拟复杂量子体系的方法。超冷原子光学晶格是其中一种方案，而莫尔超晶格提供了另一种更紧凑的固态方案。本次实验证明，莫尔激子系统可以模拟著名的玻色-哈伯德模型的一些物理行为，而该模型对于理解超流体、超导和莫特绝缘体等均有指导意义。随着这项技术的发展，人们或许能够借助莫尔激子体系来模拟和研究其他难以直接观察的量子现象。这对于加深基础物理理解，以及为未来量子计算提供实验平台，都是很有价值的探索方向。

最后，强关联激子的研究还有望在光电探测领域产生影响。因为激子对外界环境非常敏感，其相变行为可以用来设计高灵敏度的传感器。举例来说，如果某种外部刺激能够打破激子的冻结状态，人们就能通过监测激子发光的变化来检测这一刺激，基于这一原理也许能够发展出新型光学传感技术。

总之，目前谈本次成果的实际应用还为时尚早，但探索这些新奇激子态本身也为未来技术储备打开了可能性。也许在五到十年的时间尺度内，人们会看到基于激子关联态的原型器件出现，从长远看这一领域有潜力孕育出革命性的光电子技术。

（来源：Nature Materials）

感恩节前后的一个契机

2017 年，邓时滨刚到美国普渡大学教授黄丽白课题组做博士后时，对方就和邓时滨商议定下了第一个研究课题：研究过渡金属硫族化合物（TMDC，Transition - Metal Dichalcogenides）二维半导体叠层异质结中的载流子动力学。当时之所以选择这个方向，是因为这种异质结有很多有趣的性质，比如可以产生特殊的激子以及丰富的量子效应。

然而，在实际推进过程中，研究团队遇到了一些挑战：一方面，高质量异质结样品的制备很有挑战性；另一方面，中途也出现了其他令邓时滨感兴趣的课题。这些因素使他的科研方向有所调整。尽管如此，他始终没有放弃对这一领域的关注，该领域的新进展也常会引起邓时滨的兴趣。

在他持续关注的这些年里，大约从2018 年开始，“莫尔超晶格”（即晶体晶格失配叠加形成的大周期结构）中的强关联粒子体系成为了凝聚态物理的前沿热点。不仅电子体系中被发现了一系列奇异的量子相（比如莫特绝缘体、广义维格纳晶体、分数量子霍尔态等），人们也开始设想在这样的莫尔超晶格中激子这些玻色子是否也能出现类似现象？这一问题令邓时滨非常兴奋，因为如能在固态材料中实现过去仅在超冷原子气体中观察到的量子现象，那将是对基础物理的重大贡献，并且具有潜在的应用前景。

简单来说，邓时滨当时意识到一个重要的科学空白：人们还不了解这些莫尔激子关联态的动态行为。以往的研究大多是通过光谱等稳态手段“间接”推断激子态，却从未直接观察过激子随着时间演化时究竟发生了什么。

正是带着这样的疑问，黄丽白和邓时滨着手探索这一方向。幸运的是，研究团队的想法也得到了同行的支持。2022 年感恩节期间，研究团队与美国华盛顿大学教授许晓栋开展了一次交流，后者希望本次研究团队尝试直接观测他们正在研究的莫尔超晶格中的激子输运，这与研究团队的想法不谋而合。许晓栋非常支持黄丽白和邓时滨的计划，不仅提供了宝贵的建议，还表示愿意提供他们精心制备的高质量异质结样品。同样地，德国亚琛工业大学的但丁·肯尼斯（Dante Kennes）博士团队也加入了本次研究团队，并负责提供理论模型和计算支持。有了这样的团队基础，研究团队更加确信：如能测量并揭示出关联激子的动力学过程，就能解决上述的关键科学问题，填补领域空白。

有了想法之后，接下来就是准备合适的样品和实验条件。许晓栋团队擅长高质量 WS₂/WSe₂ 异质结的制备，他非常慷慨地表示愿意提供自己团队的样品来支持邓时滨的实验。到了 2022 年圣诞节前后，研究团队就收到了从美国西雅图寄来的样品。拿到样品时大家都很激动，马上开始了初步的光谱测试和光学成像测试。尽管只是试探性实验，但他们已经隐约看到了有趣的迹象，这更加坚定了让其进行深入研究的信心。

2023 年农历新年过后，研究团队进入技术攻关阶段。因为要直接拍摄激子的运动，他们需要使用超快时间分辨的显微成像设备。当时邓时滨所在团队已有一套自制的瞬态光学显微镜，但是为了观测莫尔激子的特殊需求，他们对这套系统做了一系列改造升级。比如，抑制低温环境下的试验台的振动，以及对调控电场的模块进行自动化改造。由于前期的积累，本次改造非常成功，研究团队很快就拥有了一套能在低温下从飞秒到微秒这样大时间跨度范围内针对激子分布进行成像的独特装置。

有了利器在手，接下来的几个月里研究团队兴奋地开展实验。黄丽白在设备机时上给了邓时滨一些倾斜，邓时滨和同事们反复在不同条件下激发样品、记录激子的瞬态吸收和荧光影像。每次实验研究团队都会获得大量的数据，包括不同激子填充率下光致发光强度随时间和空间分布变化的“影片”。慢慢地，研究团队注意到了一些反常的现象：在特定的激子密度下，激子扩散的范围似乎明显受到抑制。看到这一苗头，大家既兴奋又谨慎，兴奋的是可能捕捉到了新奇的物理效应，谨慎的是还需要排除其他因素的影响。

2023 年下半年，研究团队的工作重点转向数据分析和物理图像的论证。这一步对理解发现至关重要，也颇具挑战性。研究团队定期与上文的 Dante 团队召开线上会议，他们在理论模拟方面经验丰富，帮助研究团队建立了一个包含激子长程相互作用的模型。通过将实验结果和理论模拟进行对比，研究团队逐渐确认：实验中激子运动受阻确实是莫特绝缘态形成的标志，而且与模型预言的强相互作用效应高度一致。同时，研究团队也和许晓栋团队持续交流，他们提供了更多器件方面的信息，使其对样品的特性了解得更透彻。经过数月的反复推敲，研究团队终于理清了所有的数据：例如如何定量提取“冻结”持续的时间、不同激子填充条件下现象有何差异等等。看到实验和理论能够相互印证，那一刻大家都非常激动，这意味着研究团队真正抓到了从未有人见过的动态过程。

（来源：Nature Materials）

“挑战会倒逼你去创新”

部分研究过程发生于疫情时期，为此邓时滨也需要平衡家庭和科研。疫情期间实验室一度关闭，那段时间邓时滨的个人生活也发生了不少变化，他接连迎来两个宝宝的出生，成了两个孩子的父亲。为了照顾家人和降低感染风险，邓时滨减少了去实验室的次数，把更多精力放在居家办公上。刚开始他有些担心进度会受影响，但后来邓时滨似乎找到了新的节奏：把原本需要在实验室做的一些重复操作通过编程和硬件改造实现自动化。

由于其所在实验室的设备大多是他和同事一个零件一个零件搭起来的，自动化程度原本要比商品设备低很多。举个例子，做成像测量时需要有人在现场不断调节设备并记录数据。后来，邓时滨利用居家的时间写了代码，改装了控制器，让设备可以按设定好的程序自动运行采集数据，并在此过程中不断修正偏离。而邓时滨则可以在家里的电脑上实时监控实验进展。这样一来，机器不停地工作，而他即使不在实验室，也能随时处理已有数据并思考下一步的实验方案。就这样，疫情期间他把实验设备升级得更加智能和高效。

值得一提的是，研究团队始终严格遵守实验室的安全规范，确保远程实验的每一步都有安全冗余和监控。等到后来研究团队真正开始做莫尔激子的研究时，这套远程自动化系统派上了大用场：他们比以前更快地扫描参数，更快地获取了所需的数据，大大提高了实验效率，在较短的时间里就完成了论文需要的全部实验。这件事让邓时滨体会很深：有时候生活和工作的挑战会倒逼你去创新。对他来说，居家带娃是科研的压力，但反过来促使他开发出了更聪明的工作方式，最终帮助研究团队更好地完成了研究。

同时，他还表示：“在这个过程中我要特别感谢我的合作者们和家人的支持，尤其是我的妻子王进莹，她是一位深耕低维材料电子结构与输运理论模拟的学者。虽然她并未直接参与这项激子动力学研究，但是她对于电子关联效应的深刻理解，让我在分析数据时多了一层理论敏感度。”

例如，她曾提到“二维异质结的拓扑保护机制可能影响激子寿命”，这一观点虽未直接应用于本次实验，却促使研究团队更加关注体系中的对称性破缺效应。此外，她也多次建议邓时滨将自己的实验设备商品化。

邓时滨说：“也许在未来的某一天，我真的会这么做吧。而我即便在育儿最忙碌的阶段，我和妻子也常常利用哄娃入睡后的间隙交流新知与感悟。这种融于生活的学术对话，让我们的研究始终贴着领域跳动的脉搏前行。如今，她正在南开大学电光学院带领团队探索低维体系的光电特性与应用。”王进莹也表示：“或许未来某天，我们的研究会像拼图一样契合。”邓时滨认为，这份家庭成员对于科学共有的热爱，是妻子给予这项研究最珍贵的馈赠。

计划将时空尺度推进得更极端

2023 年，在本次论文上线之前，邓时滨回到国内任职。他表示，这项关于关联激子动力学的工作只是迈出了第一小步，后续还有许多有意思的方向值得深入。目前，邓时滨就职于南开大学物理学院超快电子显微镜实验室，他在此负责领导一支研究载流子超快显微成像方向的小团队。眼下，他和团队已经搭建了全新一代的超快瞬态显微成像系统，具有若干前所未及的探测能力。这套设备融合了先进的超快激光与显微技术，能够以更多维的方式拍摄材料中的微观动态。并且，其已能够更精细地调控实验条件，比如施加精确可控的电场、温度和磁场等，从而在更加全面的物理环境下研究激子行为。

另外，邓时滨所在的大团队整体实力也非常出色，成员各有所长、密切合作，形成了攻坚克难的合力。团队建成了国际上最新一代的超快电子显微镜，并配有完善的微纳器件加工制备与操纵等设备，其设施和实验条件在国内外处于一流水平。

接下来，邓时滨计划利用其所在团队开发的新设备，深入探究莫尔激子体系中的其他量子相。具体来说，在本次论文之中，他和合作者观测到了激子莫特绝缘态，那么是否存在与之相对应的“激子超流态”或其他新的激子有序相？因此，他希望通过改变外界条件（例如激子浓度、温度甚至磁场等），看看能否诱导激子从绝缘态转变为一种流动性很强的态，就像电子在某些条件下会从绝缘体转变为超导体一样。如果能观测到激子相变的全过程，那将极大加深人们对激子相图的理解。

同时，他计划将时空尺度推进得更极端。如前所述，目前能够看到的激子冻结在几十纳秒的尺度，那么在更短时间（比如皮秒乃至更短）内，激子从光激发到形成关联态的早期瞬态过程是怎样的？围绕这一问题，他希望将电子成像技术与光学技术相结合，突破现有手段的极限。例如，利用超快电子束去捕捉激子在超短时间内的运动轨迹，或结合太赫兹光源探测激子相干性的消散。这些尝试都有望提供以前从未有过的细节信息。

总的来说，邓时滨对于未来的科研生涯充满期待，并希望能够提出一些对于理解凝聚态物理具有一定意义的新概念。“希望南开大学这个新实验室在激子物理和超快动力学领域能有它的一席之地，培养出更多优秀学生，在国际上发出我们的声音。总之，未来可期，我们会脚踏实地，一步一步探索更多未知的领域。”他表示。

参考资料：

Deng, S., Park, H., Reimann, J.et al. Frozen non-equilibrium dynamics of exciton Mott insulators in moiré superlattices. Nat. Mater. 24, 527–534 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02135-8