近年来，实验物理学家们正在努力实现稳态激子凝聚，典型的双层器件（如图1）由两层超薄半导体材料堆叠而成，有些超薄半导体甚至只有一层原子那么薄。如果在每层上分别连接电极，并在电极之间施加偏置电压，电子会注入一层，而空穴（固体中电子的反粒子，带正电）则注入另一层。电子和空穴可以互相吸引，结合形成层间激子，就像电子与质子结合形成氢原子一样。在低温下，这些激子可能自组织形成一种能无摩擦流动的宏观量子态——“玻色-爱因斯坦凝聚态”或者叫超流态。近日，清华大学物理系孙志远研究组在激子凝聚理论中取得进展，为未来此类器件的理解和设计提供了指导。
图 1: 左图为典型的非平衡激子器件的例子，其中偏置电压μ 可以注入激子，是系统处于非平衡态的来源，栅极电压Vg可调节激子能量，但跟系统没有电接触。右图显示，非平衡激子凝聚态的序参量在复平面上是动态的，其相位随时间增长，速率大致为μ, 蓝色等高线显示的是系统的能量作为序参量的函数，颜色越深，能量越低。
本研究指出，实验上可能实现的大部分激子凝聚态，并非静态，而是处于动态，就像旋转的风扇一样不断变化，或者叫“时间晶体”，如图1所示，激子从电极不断流入和流出，同时也可通过层间电荷隧穿不断消失和产生，因此这类器件都是驱动-耗散系统，所处的物态属于非平衡稳态。对于大部分半导体，比如目前常用的过渡金属硫族化物（TMDC），激子有类似自旋的内禀自由度，取决于这些内禀自由度的取值，非平衡激子凝聚态可以是“亮态”，不断发出频率接近偏置电压的相干光，也可以是“暗态”，即不发光，但存在振荡的电流，类似超导体约瑟夫孙结的ac Josephson effect。
非平衡稳态的描述超出了平衡态统计物理的框架，那么如何预测这个稳态的性质？比如它会选择亮态还是暗态？本研究利用ponderomotive potential（旁踱势）方法 [Phys. Rev. B 110, 104301 (2024)]，推导出低能内禀自由度感受到的有效静态势，从而预测了此类非平衡稳态的相图。理论预测，通过调节两层之间的偏置电压μ或者栅压，可以使激子凝聚在亮、暗态之间切换，如图2a所示。更有趣的是，当将器件置于Fabry–Pérot光学腔中时，亮激子凝聚会和腔光子模耦合, 从而在合适的偏置电压下，把系统调控成亮态，实现“超辐射”状态，将相干光辐射增强高达一百倍，如图2b所示。这类器件未来有可能作为微纳激光器集成在光电芯片上。
图 2：(a) 器件的非平衡相图，横轴是栅压，纵轴是偏置电压μ, 带颜色区域是激子凝聚态，蓝色区域是暗激子凝聚，红色区域是亮激子凝聚，代表系统在持续发出相干光，红色的深度代表一微米见方的器件的发光功率。(b) 器件放入光腔后（见右上小图），其非平衡相图受腔光子模影响，可调控出一系列超辐射激子凝聚态。
该工作近期以“Dynamical Exciton Condensates in Biased Electron-Hole Bilayers”为标题发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)，物理系助理教授孙志远为本文的第一和通讯作者，合作者包括日本理化学研究所Yuta Murakami研究员，苏州实验室铉丰源副研究员，大阪大学Tatsuya Kaneko助理教授，斯洛文尼亚Jožef Stefan 研究所和卢布尔雅那大学Denis Golež助理教授，以及哥伦比亚大学和熨斗研究所的Andrew Millis教授。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金和清华大学低维量子物理国家重点实验室的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.217002
