研究表明单层WTe2为一种激子绝缘体

普林斯顿大学的研究人员最近开展的一项研究表明，单层二碲化钨（WTe2）为一种激子绝缘体（excitonic insulators, EI）。二碲化钨是一种过渡金属硫化物（TMD），具有许多独特的性能和特点使其成为电子应用领域的理想材料。过去的研究已经表明，单层的二维二碲化钨晶体形成了第一个单层拓扑绝缘体，表现出的拓扑特性可以持续到非常高的温度（~100K）。

过去，物理学家已经能相当好地理解该材料的拓扑结构的起源，但是，二碲化钨单层材料表现为绝缘体的原因仍然不清楚。理论预测和计算表明，该材料原则上应该是一种半金属，其中电子和空穴共存并自由移动。

普林斯顿大学的研究人员最近进行了一项研究，调查单层二碲化钨的电子特性。他们发表在《自然-物理学》上的论文提供了强有力的证据，证明这种材料是一种EI，在被称为“激子”的电子-空穴结合状态的自发形成。

激子绝缘体产生于半导体中绑定的电子-空穴对（激子），为量子多玻色子物理学提供了一个固态平台。

“我们工作的最初目的是了解非常新颖的二维材料单层WTe2的量子特性，”进行这项研究的研究人员之一Sanfeng Wu告诉Phys.org。“我们的研究进行了系统的研究，以解决这一难题，并发现强有力的证据表明这种二维绝缘体是一种EI。”

“激子是带电的中性粒子，像氢原子一样，”Wu解释说。“激子的概念在半导体物理学中并不新鲜，例如，激子在半导体的光激发和发射中起着关键作用。然而，半导体中的光激发激子是非常短暂的，因为它们必须在纳秒内衰变，例如通过发射光。相反，在EI中，激子不会发光，也不会衰变。”

在他们的实验中，研究人员排除了单层二碲化钨是一个带状绝缘体的可能性。为了做到这一点，他们使用电子隧道光谱检查了二维二碲化钨晶体。

“我们得出结论，单层绝缘状态的形成是由于内在的电子关联，”Wu说。“结合这一事实，即该状态正好出现在电荷中和，意味着电子和空穴的数量正好相等，很明显，单层绝缘体是一种激子绝缘体。”

Wu和他的同事们还发现，他们检查的单层WTe2样品表现出不寻常的传输行为，与那些在EI中预期的行为一致。随后，他们开发了一个理论模型，考虑了电子-空穴的相关性，进一步支持了EI相的形成。

这个研究小组最近进行的研究表明，单层二碲化钨是一个有前景的二维EI候选材料。在未来，它可以为进一步研究单层二碲化钨或其他具有类似结构的材料提供参考，以探索发现更多激子绝缘材料的可能性。

“我们的研究确定了单层WTe2是一个独特的激子绝缘体，未来不仅可以研究激子绝缘态，还可以研究其他可能的新量子相，如激子超导，特别是单层二碲化钨可以从激子绝缘态被静电调谐到超导体态，”研究生和论文的主要作者Yanyu Jia告诉Phys.org。“揭示这两个阶段之间的基本关系将是非常有用，并且肯定会加深我们对材料中量子现象的理解。”