物理系在自旋三重态激子绝缘体研究中取得进展

 

        以超导为代表的宏观量子效应是一类新奇、罕见的物理现象,其本质是微观粒子的集体性量子行为在宏观尺度的体现。在超导体中,通过库珀对的自发玻色凝聚,电荷可以实现宏观尺度上的无耗散输运。在半导体中,电子和空穴也可以通过库仑吸引作用配对,形成电中性的激子。理论上已经证明,激子可以具有类似的自发玻色凝聚,使体系进入一个全新的宏观量子态——激子绝缘体态。尽管这一概念的提出已超过半个世纪,但目前为止,实验上仍然缺乏激子绝缘体态存在的明确证据。其主要原因有两点:(1)库珀对凝聚可以在任意有限的电子-声子耦合强度下实现,但激子的凝聚存在一个阈值,即要求激子结合能大于单电子能隙。对于传统半导体,这几乎是一个无法实现的要求。(2)激子呈电中性,其输运过程不产生任何宏观电流,导致其输运特性缺乏有效的探测手段。

        最近,物理系段文晖教授的研究组,与北京理工大学的李元昌副教授、美国伦斯勒理工学院的张绳百教授、中科院半导体所常凯研究员等研究团队密切合作,提出实现自旋三重态激子绝缘体的理论机制,而通过激子的自旋超流,可以实现对激子绝缘体态的有效测量。采用严格的第一性原理计算,研究团队发现单面氢化石墨烯体系中的激子结合能超过单电子能隙约100 meV,因此具备较高的稳定性,对应相变温度在10?20 K之间。进一步的分析表明,这一巨大的激子结合能是二维材料中非局域的倒空间关联行为导致的。另一方面,该体系具有长程铁磁序,且构成激子的导带、价带电子具有相反的自旋取向,从而造成体系中有且仅有自旋三重态的激子发生玻色凝聚。类似于3He,这种有限自旋的玻色凝聚会导致自旋超流,从而为实验观测提供了一种直接、明确的手段。除此之外,还发现体系中特殊的介电屏蔽行为,导致单电子谱和激子激发谱之间,存在从间接跃迁和直接跃迁的转换,这也为激子绝缘体的实验测量提供了一种新的可能。


(a)布里渊区中心激子能谱,以及基态激子的倒空间及实空间分布(b)基态激子形成能依赖于激子动量的色散关系,负值表示其能量低于平均场理论下的半导体基态(c)激子绝缘体态的赝能隙与波矢的依赖关系(红色),以及赝能隙最大值与温度的依赖关系(蓝色)

       

        目前,相关成果以“Spin-Triplet Excitonic Insulator: The Case of Semihydrogenated Graphene”为题发表在4月22日的Physical Review Letters上[Phys. Rev. Lett. 124, 166401 (2020)]。物理系2014级博士生姜泽禹(导师为段文晖教授)为文章的第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和科技部的资助。

        文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.166401