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Nature | 长寿命激子——全新的量子技术方向
光子盒研究院出品
在发表在《自然》的新研究中，美国劳伦斯-伯克利实验室的科学家们观察到拓扑材料中的长寿命激子，这为光电子学和量子计算开辟了有趣的新研究方向。
激子是当光被半导体吸收时产生的电荷中性的准粒子。由一个受激电子与一个低能量的电子空位（或空穴）组成，激子的寿命通常很短，只能存活到电子和空穴重新结合为止，这限制了它在具体应用中的效能。
领导这项研究的Alessandra Lanzara说：“如果我们想在量子计算方面取得进展，并创造出更可持续的电子产品，我们需要更长的激子寿命和不依赖电子电荷的新信息传输方式。”Lanzara是能源部劳伦斯伯克利国家实验室的一名高级科学家，也是加州大学伯克利分校的一名物理学教授。“在这次研究中，我们正在利用拓扑材料的特性来制造一种寿命长、对无序性非常强的激子。”
在一个拓扑绝缘体中，电子只能在表面移动。通过在这种材料中创造一个激子，研究人员希望达到这样一种状态：被困在表面的电子与仍被限制在物体中的空位相耦合。这种状态将是空间上的间接状态从表面延伸到内部，并且可以保留拓扑表面状态所固有的特殊自旋特性。
团队使用了Lanzara开创的一种最先进的技术——时间、自旋和角分辨的光电子能谱技术(time-, spin-, and angle-resolved photoemission spectroscopy)，它使用超快的光脉冲来探测材料中电子的特性。团队使用了碲化铋(Bi2Te3)，这是一种经过充分研究的拓扑绝缘体，并提供了科学家所需要的精确特性：结合拓扑表面特性和绝缘体特性的电子状态。
Lanzara说：“我们知道碲化铋有正确的电子结构来支持空间间接激子，但找到正确的实验条件需要数百小时。当我们看到我们正在寻找的激子状态时，这对每个人来说都是巨大的喜悦。”
该团队研究了激子状态的形成，并描述了它与材料中其他电荷载体的相互作用。这些观察确实是一个突破，该团队也更进一步、测量了激子状态的自旋特性，并证明了拓扑材料的自旋极化在激子状态下的持久性。
“我们研究了这种新的激子状态，发现它确实继承了激子和拓扑状态的特征。”第一作者、东京大学Ryo Mori说:“这一发现为未来结合两者特性的应用开辟了机会，例如光电子学和可能的新量子信息技术。”
参考链接：[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05567-3[2]https://phys.org/news/2023-04-scientists-longer-lasting-exciton-possibilities-quantum.html[3]https://newscenter.lbl.gov/2023/04/25/scientists-create-a-longer-lasting-exciton-that-may-open-new-possibilities-in-quantum-information-science/
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