康奈爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的新研究，通過(guò)探索原子級(jí)半導(dǎo)體中的激子，為物理學(xué)家一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)（高溫超流性）指明了方向。由束縛電子-空穴對(duì)組成的激子是能夠存在于絕緣體和半導(dǎo)體中可移動(dòng)的能量束。

通過(guò)使用具有大結(jié)合能的激子，研究人員能夠?qū)⒗淠郎囟忍岣咭话俦叮瑥拇蠹s1開(kāi)爾文（-272.15℃）到大約100開(kāi)爾文（-173.15℃），室溫大約是295開(kāi)爾文（22℃）。雖然高溫超流性仍有待證明，但這種強(qiáng)大的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚物可能會(huì)促使更明亮、更高效的照明系統(tǒng)，使傳統(tǒng)LED相形見(jiàn)絀。

其研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在發(fā)表在《自然》期刊上，該研究的主要作者、博士后研究員王澤芳(Zfang Wang，Ph.D.‘18)說(shuō)：在比早期研究高得多的溫度下實(shí)現(xiàn)激子凝聚，為在明顯不那么嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件下，探索物質(zhì)的這一量子階段提供了一個(gè)令人興奮的機(jī)會(huì)。量子粒子分為兩個(gè)基本類別：玻色子和費(fèi)米子這兩類粒子區(qū)別在于它們的自旋。玻色子是社會(huì)化的人，很高興被聚集在一起；費(fèi)米子就像公共汽車上的乘客，不想坐在一起。

一種類型的玻色子是激子，它由兩個(gè)費(fèi)米子組成，一個(gè)電子與一個(gè)電子空穴配對(duì)。這是系統(tǒng)中沒(méi)有電子，設(shè)法克服它們的反社會(huì)傾向，愉快地附著在其他粒子上。2-D原子雙層中的激子質(zhì)量也很輕，尺寸很小，所以它們可以緊密地堆積在一起（比傳統(tǒng)材料中的原子和激子多得多）并集體行為，這可以允許流動(dòng)而沒(méi)有粘度或阻力，這些是在較高溫度下實(shí)現(xiàn)冷凝和超流的理想條件。共同高級(jí)作者，藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院物理學(xué)副教授Kin Fai Mak和工程學(xué)院應(yīng)用和工程物理教授單杰（音譯）說(shuō)：

物質(zhì)的量子態(tài)通常非常脆弱，這就是為什么必須在實(shí)驗(yàn)室里將它們降溫到非常低的溫度，以保護(hù)它們并將它們與環(huán)境隔離的原因。但是，如果能創(chuàng)造出一種更穩(wěn)定的物質(zhì)量子態(tài)，它可以在高溫，甚至在環(huán)境條件下快樂(lè)地生活，那么你可以用它做很多事情。其中一個(gè)潛在的應(yīng)用是光電子學(xué)，在傳統(tǒng)的LED中，激子的行為是獨(dú)立的，而不是合作的，因?yàn)樗鼈儾惶幱谀蹱顟B(tài)。但一旦凝聚，粒子可以集體重組并更有效地產(chǎn)生光子。實(shí)際上，可以創(chuàng)造出比傳統(tǒng)LED更明亮，更節(jié)能的光源。

該研究團(tuán)隊(duì)采用了一種明確的“低技術(shù)”方法來(lái)組裝凝聚層：使用透明膠帶從晶體上剝離原子的單層，并將它們與電子和空穴重新堆疊間隔約1納米，并排列成最大限度地吸引形成社交愛(ài)好的玻色子。凝聚體的一個(gè)突出特性是玻色子可以在沒(méi)有阻力的情況下流動(dòng)，這意味著每一層本身就是一個(gè)超導(dǎo)體。所以創(chuàng)造高溫超導(dǎo)體的另一種途徑基本上是制造這種類型的結(jié)構(gòu)，并分別測(cè)量每一層上的電阻，看看它是否具有零電阻，科學(xué)家們正在進(jìn)行這種類型的實(shí)驗(yàn)。

博科園｜研究/來(lái)自：康奈爾大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1591-7

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