科學家在拓撲激子絕緣體相研究取得突破性進展

上世紀60年代，諾貝爾獎獲得者 Mott 提出激子絕緣相， Mott 提出考慮庫侖屏蔽效應，在半金屬體系中電子-空穴配對而形成激子，可能會導致體系失穩(wěn)，從而在半金屬費米面處打開能隙，形成激子絕緣體狀態(tài)。但迄今為止，實驗上觀測激子絕緣體相是一個尚未完全解決的關鍵科學問題。激子絕緣體相存在及其玻色-愛因斯坦凝聚的確鑿證據并不充分，主要是由于激子的壽命較短，帶來觀測上的困難。

InAs/GaSb 半導體量子阱系統(tǒng)是重要的紅外探測器體系，其能帶結構獨特，本征情況下會自發(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，為研究激子絕緣體提供了良好的平臺。在 InAs/GaSb 半導體量子阱中，通過調節(jié) InAs 和 GaSb 層厚，可使 GaSb 層的價帶頂高于 InAs 層的導帶底，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，兩者在實空間分離。美國斯坦福大學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；美國萊斯大學/北京大學杜瑞瑞實驗組在該系統(tǒng)中觀察到拓撲邊緣態(tài)的輸運，并發(fā)現(xiàn)邊緣態(tài)輸運即使在強磁場下仍能保持。

如果考慮電子-空穴間的庫侖作用，即當激子束縛能大于體系的雜化能隙時，理論上猜想該體系基態(tài)形成如 Mott 預言的激子絕緣體相甚至拓撲激子絕緣相。美國萊斯大學/北京大學杜瑞瑞實驗組、美國萊斯大學大學 Kono 實驗組和中國科學院半導體研究所常凱理論組，從實驗和理論兩方面研究 InAs/GaSb 量子阱中的激子絕緣相。研究員常凱、副研究員婁文凱構造了平行磁場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)及其獨特的色散，發(fā)現(xiàn)激子的基態(tài)是處于有限動量處的暗激子。在低溫且低電子-空穴對密度情形下，體系打開類似 BCS 超導體中的能隙。通過研究激子的色散關系，提出利用太赫茲透射譜來驗證激子絕緣體的存在，指出太赫茲透射譜表現(xiàn)為兩個吸收峰，理論計算預言的吸收峰位與實驗一致，為激子絕緣相光學觀測提供了理論依據。

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

（a）InAs/GaSb量子阱能譜圖；（b）實驗裝置示意圖；（c）激子絕緣體色散關系；（d）激子絕緣體聯(lián)合態(tài)密度；（e）THz吸收譜；（f）-（h） THz吸收譜：固定磁場不同溫度（f），固定溫度不同磁場（f，h）；（i）帶隙與溫度關系；（j）測量縱向電導與門電壓之間關系；（k）不同磁場強度下InAs/GaSb能譜結構。