由Phys的Ingrid Fadelli创作
（同organic）有机 钨二碲化物单原子层中形成的激子绝缘体的卡通插图
激子是像氢原子一样的电荷中性复合粒子，隐藏在二维电绝缘体中
学分:普林斯顿大学吴实验室
钨二碲化物(WTe2)是一种过渡金属二碲化物，具有许多优越的性质和特性，是广泛电子应用的理想材料
过去的研究已经证实，排列在单层中的2D WTe2晶体形成了第一个单层拓扑绝缘体，表现出能够耐受非常高的温度(~100 K)的拓扑性质
在过去的几年里，物理学家已经能够相当好地理解材料拓扑的起源
尽管如此，为什么wt2单层表现为绝缘体的原因(即
e
电子不能在材料中自由移动)仍然不清楚
理论预测和计算表明，这种材料原则上应该是半金属，其中电子和空穴共存并自由移动
普林斯顿大学的研究人员最近进行了一项研究，调查单层WTe2的电子特性，希望能更好地理解它充当绝缘体的原因
他们发表在《自然物理学》上的论文提供了强有力的证据，证明这种材料是一种激子绝缘体，产生于被称为“激子”的电子空穴束缚态的自发形成
' “我们工作的最初目的是了解非常新颖的2D材料单层WTe2的量子特性，”进行这项研究的研究人员之一吴三丰告诉Phys
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“多年来，解释绝缘体状态起源的各种方法在文献中讨论得不一致
我们的工作进行了一项系统的研究来解决这个难题，并发现了强有力的证据，表明这种2D绝缘体是一种激子绝缘体，一种长期寻求的固体中电子物质的量子状态
" 激子绝缘体的存在最早是在20世纪60年代被预言的
当时，物理学家认为，在小间隙半导体或半金属中，电子和空穴有时可以结合形成复合粒子(即
e
，激子)
这一过程反过来将导致一个强绝缘阶段，这将与标准的电绝缘体有很大的不同
吴解释说:“激子是电荷中性粒子，就像氢原子一样。”
“激子的概念在半导体物理中并不新鲜，例如，激子在半导体的光激发和发射中起着关键作用
然而，半导体中的光激发激子寿命很短，因为它们必须在纳秒内衰减，比如通过发光
相反，在激子绝缘体中，激子不发光，也不衰减
" 在激子绝缘体中，激子隐藏在绝缘体状态，这使得它们很难被实验检测到
因此，决定性地证明激子绝缘体状态的存在迄今为止被证明是难以置信的挑战
为了证明WTe2单层是激子绝缘体，吴和他的同事们首先试图排除所有其他已知的对其绝缘行为的可能解释
这包括无序诱导绝缘相和带隙类似于典型半导体的微小绝缘体的可能性
吴说:“这是非常重要的一步，但对于3D候选材料来说通常非常困难。”
“我们通过比较具有不同杂质水平的样品来检验无序的作用，发现更干净的样品具有更强的绝缘状态，揭示了绝缘状态是清洁极限中单层的固有属性，而不是由无序引起的
" 在他们的实验中，研究人员还排除了单层WTe2是带状绝缘体的可能性
为了做到这一点，他们使用电子隧穿光谱检查了一个2D WTe2晶体，这是一种著名而强大的技术，用于区分相关绝缘状态和普通的带状绝缘体
“我们得出结论，单层绝缘状态的发展是由于内在的电子关联，”吴说
“结合这个事实，即状态恰好出现在电荷中性，这意味着电子和空穴的数量完全相等，很明显单层绝缘体是激子绝缘体
" 有趣的是，吴和他的同事还发现，他们研究的单层WTe2样品表现出与激子绝缘体中预期的一致的异常传输行为
随后，他们发展了一个考虑电子-空穴关联的理论模型，进一步支持激子绝缘体相的形成
“我们收集了两个可能有广泛影响的显著发现，”吴说
“首先，我们的研究为理解2D拓扑材料增加了一个重要的新方面，它也显示了许多其他不寻常的量子特性
这一发现修正了我们对量子物理的理解，在量子物理中，拓扑和电子关联都很重要
它最终可能会带来新的发现，尤其是在这类新颖的材料中
" 这组研究人员最近进行的研究表明，单层wt2是非常有希望的2D激子绝缘体候选物
未来，它可以为进一步研究单层WTe2或其他具有类似结构的材料提供信息，以探索发现更多激子绝缘材料的可能性
“我们的工作为实验解决长达60年的激子绝缘体问题提供了宝贵的机会，”吴说
“我们的发现已经激发了新的想法，使用以前的候选材料不可能使用的方法直接检测隐藏的激子
" 吴和他的同事们收集的结果为开发新的实验技术来探测隐藏在绝缘体中的中性量子相打开了新的迷人的机会
这可以提高目前对电绝缘体的理解，更重要的是，可以发现标准电绝缘体之外的新型电绝缘体
该论文的主要作者、研究生禹岩·贾告诉Phys:“我们的工作将单层WTe2确定为一个独特的、前所未有的平台，不仅可以用于激子绝缘态的未来研究，还可以用于其他可能的新量子相，如激子超导性，尤其是单层WTe2可以从激子绝缘态静电调谐到超导体态。”
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“揭示这两个阶段之间的潜在关系将是有趣的，并且肯定会加深我们对材料中量子现象的理解
" 在接下来的研究中，吴、贾和他们的同事将试图设计出替代的实验程序，让他们能够直接甚至更确切地探测基态激子
此外，他们希望进行进一步的研究，专注于任何可能表征激子绝缘体的新量子相
“这里的一个关键因素是，我们不是在处理单激子；相反，这里的激子密度约为1012 cm-2，”吴补充道
“就像许多原子在一起一样，我们可以有不同的物质相，我们期望这些许多激子形成各种有趣的新电子相
所以，在这样的电绝缘体中应该隐藏着丰富的量子世界，我们希望能揭开它们
"
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