科学家创造了一种更持久的激子，可能为量子信息科学开辟新可能性

Bi2Te3的激子和拓扑态。来源:《自然》(Nature)， 2023年出版。DOI: 10.1038 / s41586 - 022 - 05567 - 3

在一项新的研究中，科学家们在拓扑材料中观察到了长寿命的激子，为光电子学和量子计算开辟了有趣的新研究方向。

激子是当光被半导体吸收时产生的电荷中性准粒子。激子由耦合到低能电子空位或空穴的激发电子组成，通常是短暂的，仅在电子和空穴重组之前存活，这限制了其在应用中的实用性。

“如果我们想在量子计算方面取得进展并创造更可持续的电子产品，我们需要更长的激子寿命和不依赖于电子电荷的信息传输新方法，”领导这项研究的亚历山德拉兰扎拉说。兰扎拉是能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的高级教师科学家，也是加州大学伯克利分校的物理学教授。“在这里，我们正在利用拓扑材料特性来制造一个寿命长且对无序非常强大的激子。

在拓扑绝缘体中，电子只能在表面上移动。通过在这种材料中产生激子，研究人员希望达到一种状态，在这种状态下，被困在表面上的电子耦合到仍然被限制在块中的空穴。这种状态在空间上是间接的——从表面延伸到体中——并且可以保留拓扑表面状态固有的特殊自旋特性。

该团队使用了Lanzara帮助开创的一种最先进的技术，称为时间，自旋和角度分辨光发射光谱，该技术使用超快光脉冲来探测材料中电子的特性。他们使用碲化铋，这是一种经过充分研究的拓扑绝缘体，可提供他们所需的精确特性：一种将拓扑表面特性与绝缘体特性相结合的电子状态。

“我们知道碲化铋具有正确的电子结构来支持空间间接激子，但找到正确的实验条件需要数百小时，”Lanzara说。“当我们看到我们正在寻找的激子状态时，每个人都感到非常高兴。

该团队研究了激子态的形成，并表征了它与材料中其他电荷载流子的相互作用。这些观测结果已经构成了一个突破，但该团队更进一步，测量了状态的自旋特性，并证明了拓扑材料在激子状态下强自旋极化的持久性。

“我们研究了这种新的激子状态，发现它确实继承了激子和拓扑态的特征，”第一作者Ryo Mori说，他作为博士后学者参与了这个项目，现在是东京大学的一名教员。“这一发现为结合两者特性的未来应用开辟了机会，例如光自旋电子学和可能的新量子信息技术。

“这项工作只是一个开始，许多谜团仍然存在于基本属性中，”森继续说道。“例如，我们仍然无法在当前测量中得出孔的旋转结论。自旋如何影响激子配对机制？然后，我们如何控制此状态的属性，以便我们可以在应用程序中使用它？

该研究发表在《自然》杂志上。

更多信息：Ryo Mori 等人，拓扑绝缘体中的自旋极化空间间接激子，Nature （2023）。DOI： 10.1038/s41586-022-05567-3

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