在量子物理的世界里，除了那些會(huì)發(fā)光、會(huì)輻射能量的“明亮”粒子外，還存在著一些極其重要但卻難以捉摸的“黑暗”實(shí)體。最近，科學(xué)家們?nèi)〉昧艘豁?xiàng)全球性的突破：他們首次直接觀測(cè)并追蹤到了傳說中的“暗激子”（Dark Excitons）在原子級(jí)薄材料中的演變過程。這項(xiàng)成就不僅揭示了物質(zhì)與光相互作用的深層奧秘，更可能為下一代信息技術(shù)，尤其是量子信息和超高效光電設(shè)備，鋪平道路。

首先，我們需要理解“激子”是什么。在半導(dǎo)體材料中，當(dāng)光線照射時(shí)，電子會(huì)被激發(fā)到更高的能級(jí)，并在原來位置留下一個(gè)帶正電的“空穴”（Hole）。這個(gè)帶負(fù)電的電子和這個(gè)帶正電的空穴，由于電荷吸引而相互束縛，形成一個(gè)中性的準(zhǔn)粒子，這就是激子。激子是半導(dǎo)體中傳輸能量的基本單位。而激子又分為“明亮激子”和“暗激子”兩種。

“明亮激子”的壽命很短，它們?cè)谌f億分之一秒（皮秒級(jí)）的時(shí)間內(nèi)會(huì)迅速?gòu)?fù)合，并發(fā)射出光子，這就是我們能通過光學(xué)設(shè)備檢測(cè)到的光。然而，“暗激子”則不同，由于其內(nèi)部電子和空穴的量子特性（例如它們的自旋方向）不匹配，它們之間被量子力學(xué)原理“禁止”復(fù)合，因此無法直接發(fā)光。這就好比它們是量子世界的“無聲信使”或“隱形能量”，雖然攜帶能量和信息，但我們卻無法直接看到或測(cè)量它們，這也是它們被稱為“黑暗”的原因。這種特性讓它們?cè)诹孔有畔⒓夹g(shù)中極具價(jià)值，因?yàn)樗鼈兡芨L(zhǎng)時(shí)間地保持量子態(tài)，更不容易受到周圍環(huán)境的熱噪聲等干擾而失去量子連貫性。

這項(xiàng)突破是在沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）的飛秒光譜單元實(shí)現(xiàn)的?？茖W(xué)家們利用世界上最先進(jìn)的時(shí)間分辨和角分辨光電子能譜（TR-ARPES）系統(tǒng)，配備了定制的極紫外光源。這套復(fù)雜的設(shè)備讓他們能以前所未有的精度，在飛秒（千萬億分之一秒）的時(shí)間尺度上，同時(shí)測(cè)量電子的動(dòng)量、自旋狀態(tài)以及它們的數(shù)量，從而追蹤激子的演變。

通過這種先進(jìn)的技術(shù)，研究人員成功地觀測(cè)到了明亮激子形成后，在皮秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)，一部分會(huì)由于晶格振動(dòng)（聲子）的散射，轉(zhuǎn)移到不同的動(dòng)量態(tài)，從而轉(zhuǎn)化為動(dòng)量暗激子。稍后，自旋暗激子開始占據(jù)主導(dǎo)地位，它們是電子自旋發(fā)生翻轉(zhuǎn)后形成的，它們的壽命可以持續(xù)長(zhǎng)達(dá)納秒級(jí)，這在量子領(lǐng)域是一個(gè)相當(dāng)可觀的時(shí)間。

這項(xiàng)研究首次向世人展示了暗激子的真實(shí)動(dòng)態(tài)和演變路徑，為開發(fā)基于這些“隱形信使”的技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。未來，研究人員可以通過進(jìn)一步研究如何有效地“讀取”暗激子的信息，從而解鎖一系列革命性的應(yīng)用，包括制造更穩(wěn)定、無需極低溫冷卻的量子比特，開發(fā)超高效的太陽能電池，以及速度極快的光通信器件，真正將“暗能量”轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)未來科技的“明動(dòng)力”。

參考資料：DOI：10.1038/s41467-025-61677-2