近日，上海交通大学物理与天文学院陈鹏课题组和伊利诺伊大学香槟分校Tai C. Chiang合作，在单个原子层的ZrTe2中发现了激子随温度降低自发凝聚的现象。该研究成果以“Evidence of high-temperature exciton condensation in a two-dimensional semimetal”为题在Nature Communications发表。

上世纪六十年代，理论预测半导体/半金属中载流子的屏蔽效应较低且激子的束缚能大于体能隙时，可能会自发地形成激子凝聚并产生绝缘态。尽管这种奇异的量子态引起了人们的广泛关注，但在实验上仍是一个尚未解决的关键性科学问题。

为了实现激子凝聚相，通常采用的是双层量子霍尔系统以实现电子和空穴在空间上的分离，并通过掺杂和/或固态门电极调控电子和空穴的浓度。而外界调控的方法，很难在单一材料中产生该量子效应，研究团队通过降低材料维度，减少半金属中费米面附近的较强的屏蔽效应使得库仑作用变成短程作用力，从而有效地促进激子凝聚。


图1 (a)激子凝聚过程能带变化示意图；(b)单层ZrTe2的s偏振能谱图。

通过上述方法，研究团队成功地发现单层ZrTe2在低温下会形成激子绝缘体。在相变温度（TC = 180 K）以下，角分辨光电子能谱发现价带在费米面附近打开97 meV的能隙，该能隙随温度遵循典型的超导体间隙的BCS型行为。同时价带顶和导带底在动量空间形成范围为±0.72 Å-1的平带，表明电子和空穴在该范围内的群速度为0，没有相对运动，这是形成激子凝聚的特征。密度泛函理论计算和低能电子衍射结果排除了电子-晶格作用（Peierls型电荷密度波）作为相变的驱动力。


图2 (a)单层ZrTe2的p偏振能谱图；(b)平均场理论模型结果。

基于实验和理论的证据表明，单层ZrTe2是一种典型的二维激子绝缘体材料。而自然界中找到这样一个激子随温度降低自发凝聚的材料对于理解量子的宏观效应比如高温超导以及经典的金属-绝缘体相变有着举足轻重的作用。

上海交通大学物理与天文学院博士生高强、台湾中央研究院Yang-hao Chan研究员为论文共同第一作者，陈鹏和Tai C. Chiang教授为通讯作者。合肥同步辐射光源孙喆教授、沈大伟教授和上海光源刘正太研究员提供了同步辐射的光电子能谱支持，中国科学技术大学姜娟教授进行了低能电子衍射的实验研究。本工作主要由国家重点研发计划、上海市自然科学基金委，以及阳阳发展基金等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36667-x