上海微系统所报道二维材料中激子气相及其凝聚实验证据

激子绝缘体（EI）是固体中由库仑相互作用束缚的电子-空穴对（激子）发生玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）的宏观量子体系。激子绝缘体的材料实现是科学界争议的难题，其主要难点在于缺乏确切的实验证据将激子绝缘体与传统电荷密度波（CDW）态区分开来。在激子凝聚的BEC极限中，特有的预形成激子机制是区分EI与传统CDW的重要标志，但截止目前，仍缺乏直接的实验证据。

近日，中国科学院微系统与信息技术研究所唐述杰团队与斯坦福大学沈志勋团队以及美国劳伦斯伯克力国家实验室Sung-Kwan Mo教授开展合作研究。利用分子束外延（MBE）技术实现高质量单层1T-ZrTe2薄膜制备，并通过角分辨光电子能谱（ARPES）和扫描隧道显微镜（STM）对其研究，揭示了BEC极限下预形成激子气相存在的实验证据。相关研究成果以“Signatures of the exciton gas phase and its condensation in monolayer 1T-ZrTe2”为题于2月27日发表于Nature communications杂志上（Nat. Commun. 14, 1116 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36857-7）。

在本项研究中，研究团队首先使用ARPES和STM确认了单层1T-ZrTe2中存在2×2 CDW基态。进一步的，通过多手段的载流子调制实现电子相互作用抑制，揭示了1T-ZrTe2在CDW转变温度Tc以上并不会直接进入正常态，而是存在一个关联性显著影响的中间态。同时中间态表现出奇特的能带和能量依赖折叠行为，证实是在激子凝聚进入CDW态之前的预形成激子气相的特征。该工作研究表明单层1T-ZrTe2是一种具有高度可调制电子结构的EI候选材料，为研究激子效应提供了二维平台，且它的层状性质有利于构建范德华异质结构，在开发激子效应方面具有广阔的应用前景，如利用磁性实现自旋超流。

博士后宋叶凯和贾春婧为该工作共同第一作者，Sung-Kwan Mo，沈志勋和唐述杰为共同通讯作者，上海微系统所为第一单位。本工作获得了国家自然科学基金、中国科学院先导B类、上海市启明星计划等项目的支持。


论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36857-7


图1. 外延生长单层1T-ZrTe2中CDW态的温度演化


图2. CDW态的两步形成过程和激子效应