在一種神奇的晶體里，電子和它的孿生鏡像——空穴，在強大磁場的撮合下不僅成功牽手，還組成了一個絕 緣小分隊，這個小分隊不會導(dǎo)電，但卻能以一種特別的方式傳遞自旋信息。這便是自旋三重態(tài)。

最近，劉金雨和所在團隊在一種名為五碲化鉿的材料中，首次在超強磁場下觀察到了這種自旋三重態(tài)激子絕緣體，能為未來研發(fā)速度更快、能耗更低的自旋電子器件比如不發(fā)熱的計算機芯片打開一扇嶄新的大門。

（來源：https://doi.org/10.1103/bj2n-4k2w）

一場發(fā)生在微觀世界的材料相遇

在材料世界里，電子就像一個個帶有負電的小精靈， 而空穴則是它們離開后帶正電的空座位。通常情況下，帶相反電荷的電子和空穴會互相吸引，如果它們牽手成功，就會形成一個叫做激子的配對。

但這次的發(fā)現(xiàn)格外特別。在普通的激子中，電子和空穴的自旋方向（等效電子自旋而言）是相同的，對于自旋可以將其粗略理解為粒子的小磁針方向，這種配對叫做單重態(tài)。

而這次，劉金雨等人在超強磁場的幫助下，成功促成了自旋反向相反的電子和空穴的牽手，形成了三重態(tài)激子。這就像讓兩個旋轉(zhuǎn)方向完全相反的小陀螺牢牢結(jié)合在一起一樣，難度很大也很罕見。

五碲化鉿是一種拓撲材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)好像一個迷宮。這個迷宮的特殊之處在于，它的導(dǎo)電性質(zhì)非常敏感， 很容易被外部條件改變。

劉金雨等人把這個晶體放在極低溫和超強磁場的極端環(huán)境中。當磁場強大到一定程度的時候，晶體內(nèi)部電子門的運動會被嚴格限制，幾乎只能沿著磁場方向排成一列行進。在這種狀態(tài)之下，系統(tǒng)的行為發(fā)生了巨變。

隨著磁場的繼續(xù)增強，代表電子和空穴的兩條關(guān)鍵能帶，因為自旋被磁場極化的員工，開始彼此靠近最終交叉在一起，形成一個被稱為一維外爾模式的狀態(tài)。

他告訴 DeepTech：“總的來說，我們首次在拓撲材 料中，通過實驗實現(xiàn)了自旋三重態(tài)激子絕緣體。此外，雖然存在其他材料體系的理論預(yù)言，但尚未被實驗證實。同時，我們首次在實驗上證實了基于第零級朗道能級可以形成自旋三重態(tài)激子絕緣體?！?/p>

（來源：https://doi.org/10.1103/bj2n-4k2w）

絕緣的真相：不是堵塞，而是完美的平衡

就在上述相遇的位置，此次研究發(fā)現(xiàn)材料的電阻在某個臨界磁場之上突然開始急劇上升，這意味著它從金屬變成了絕緣體，電流很難通過。但是奇怪的是，同時測量的霍爾信號卻變成了零。

這通常意味著材料里既沒有多余的電子，也沒有多余的空穴，正負電荷達到了完美平衡，整體呈現(xiàn)出電中性。這就引出了一個核心問題：是什么導(dǎo)致了這種絕緣態(tài)？

這不僅僅是電子耗盡了，材料應(yīng)該是不導(dǎo)電的，但是霍爾信號不會恰好為零。這種同時滿足絕緣和電荷完美平衡的狀態(tài)，強烈暗示著電子和空穴并沒有消失或者耗盡，而是彼此束縛在了一起，形成了整體呈現(xiàn)出電中性的激子。它們就像一對對牢牢牽手的伙伴，雖然各自都帶電，但是作為一個整體對外不顯示電性，也不再通過自由移動去導(dǎo)電。

計算結(jié)果和模擬結(jié)果也支持了這一猜想，打開的這個絕緣能隙大約有 250 微電子伏特，正是一對自旋相反的三重態(tài)激子配對形成所需的能領(lǐng)。

（來源：https://doi.org/10.1103/bj2n-4k2w）

為什么是三重態(tài)？有何厲害之處？

與常見的單重態(tài)激子不同的是，這次發(fā)現(xiàn)的三重態(tài)激子有一些獨特優(yōu)勢：首先是能夠保持平移對稱性，它們的形成不會破壞晶體結(jié)構(gòu)的周期性，這意味著狀態(tài)可能更加穩(wěn)定和更加均勻；其次是與磁場兼容性更好，自旋三重態(tài)配對在高磁場之下可能比單重態(tài)更加穩(wěn)定，這為在強場環(huán)境下的應(yīng)用提供了可能；再次是承載自旋流，由于配對雙方自旋相反，因此這種激子態(tài)可以攜帶和傳輸純的自旋角動量，而不會伴隨凈電荷的流動。

電流是電荷的定向流動，會產(chǎn)生熱量。這就是手機和電腦會發(fā)熱和耗能的原因。那么，是否只傳遞信息的指令也就是自旋，而不搬運電荷本身，從而避免發(fā)熱和能量損耗？

本次自旋三重態(tài)激子絕緣體的發(fā)現(xiàn)，讓這個設(shè)想走進 了一步。它的性質(zhì)是構(gòu)建未來超低功耗自旋電子器件、甚至用于量子計算的潛在基礎(chǔ)元件所夢寐以求的。

圖 | 劉金雨（來源：劉金雨）

劉金雨表示：“基于本次成果，我們后續(xù)的研究計劃將集中在器件制備上。目前，我們已經(jīng)能夠?qū)⒃摬牧蠝p薄到 10 納米至幾十納米的厚度，并嘗試制備門電壓可調(diào)的器件，旨在從二維極限下探測相關(guān)的激子絕緣體或其他量子輸運現(xiàn)象。”

其繼續(xù)說道：鑒于不少理論預(yù)言的材料體系在零磁場下就是自旋三重態(tài)的激子絕緣體，如果能確證該非凡量子物態(tài)無需外加磁場即可在真實材料中自發(fā)、穩(wěn)定存在，無疑將是一項突破性且更具有應(yīng)用前景的實驗進展。結(jié)合我的研究背景，我亦矢志投身于此方向的研究。

參考資料：

相關(guān)論文 https://doi.org/10.1103/bj2n-4k2w

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