中科院量子材料新突破：单层二硒化钨中的神奇拓扑激子密度波

中国科学院半导体研究所与浙江大学合作，利用理论计算在单层二硒化钨(wse₂)中发现了高度稳定的拓扑激子绝缘体。研究表明，大量激子凝聚时，材料表面会形成独特的“量子条纹地毯”——拓扑激子密度波，为量子材料研究开辟了新的方向。

拓扑激子绝缘体：潜力无限的量子材料

要理解拓扑激子绝缘体，首先需要了解激子。光照射半导体材料时，会产生电子和空穴，它们通过库仑力结合形成激子——一种准粒子束缚态，显著影响半导体的光学性质和器件性能。激子的束缚能大于半导体能隙时，大量激子会凝聚成宏观相干量子态——激子绝缘体。 激子绝缘体是凝聚态物理研究热点，其在优化半导体器件方面具有巨大潜力。

当激子绝缘体具备拓扑性质（材料在连续变形下保持不变的结构特征）时，其电子态稳定性极高，即使外界扰动微小也能保持稳定。这种拓扑激子绝缘体兼具抗干扰性和高效量子信息传递能力，成为量子计算和柔性电子设备的理想候选材料。

单层二硒化钨：激子物理研究的理想平台

此前，在InAs/GaSb量子阱中已发现拓扑激子绝缘相，但缺乏合适的材料。本研究选择单层二硒化钨作为研究对象，因为它具有三大优势：

1. 易于制备且厚度极薄: 仅有三个原子层，激子效应显著，束缚能较大。
2. 局域价带平带: 电子在价带顶部运动缓慢，增强了电子和空穴间的吸引力。
3. 长激子寿命: 间接带隙较大，形成的间接激子寿命更长，便于实验研究。

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研究成果：开启量子器件研发新篇章

研究团队运用第一性原理计算和Bethe-Salpeter方程求解，证实单层二硒化钨是拓扑激子绝缘体的理想候选材料。其激子能带最低点位于有限动量处，形成能量“洼地”，这些“暗激子”几乎不发光，能量更低、更稳定，是形成拓扑激子绝缘相的关键。

即使施加3%的面内应变，其拓扑性质依然稳定，为柔性电子器件开发提供了可能性。 计算结果还显示，大量激子凝聚时会自发形成条纹图案的密度波，如同材料表面编织的“量子条纹地毯”。这种拓扑激子密度波效应源于动量相反的激子分支的量子干涉，通过调控其集体运动模式，有望设计出低能耗量子传输器件。

这项研究不仅首次在单层二硒化钨中实现了拓扑激子绝缘体，还揭示了激子关联与拓扑物理的深层联系，为二维材料中激子绝缘体及其相关物性的应用研究奠定了基础。 未来，随着实验技术的进步，“量子条纹地毯”有望从理论走向现实，推动发现更多性能优越的激子绝缘体。

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